物理實(shí)在與人類感知

物理學(xué)源自人類對自然的觀察和探索，而早期人們觀察自然的主要方式是借助自己的感覺器官，因此小到物理學(xué)的現(xiàn)象、概念，大到學(xué)科分類都或多或少地受到人類感知的影響。如熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)的學(xué)科分類歸根結(jié)底是人體的冷熱感知、視覺和聽覺這三種不同的感官，而聲學(xué)中的響度、音調(diào)、音色與光學(xué)中的顏色等概念中也總能感受到人類感知的影子。

在漫長的人類認(rèn)識自然的過程中，人們逐漸嘗試把直觀感知與客觀實(shí)在分離開來，如畢達(dá)哥拉斯、柏拉圖時(shí)代，人們認(rèn)為視覺是眼睛發(fā)出射線引起的，而到了公元11世紀(jì)，埃及光學(xué)家阿爾哈曾就認(rèn)識到視覺的形成是外界的光線進(jìn)入了人的眼睛。從阿爾哈曾的認(rèn)識中可以看出視覺和光不再是同一件事：光是一種獨(dú)立于人存在的客觀實(shí)在，而視覺則是人的一種感知。

近代物理學(xué)建立以后，人們通常構(gòu)建各種“模型”來描述客觀實(shí)在的主要性質(zhì)。雖然這些描述也是基于我們對空間、時(shí)間、數(shù)量等感知基礎(chǔ)上的，但它們更加抽象化和定量化。如“光”的模型就經(jīng)歷了牛頓時(shí)期的剛性實(shí)物小球，菲涅耳時(shí)期的彈性縱波，馬呂斯之后的彈性橫波，麥克斯韋、赫茲之后的電磁波，直到量子光學(xué)中被視為有最小能量單元的光量子——光子，同時(shí)光子在時(shí)空中又存在波動性，波恩將其詮釋為幾率波。在抽象化的基礎(chǔ)上，物理學(xué)進(jìn)一步采取了“用量描述質(zhì)”的原則，如把光看做粒子時(shí)，就用動量、能量來量化描述我們關(guān)心的運(yùn)動性質(zhì)，而把光看做波動(無論是彈性波、電磁波還是幾率波)時(shí)，用波速以及波函數(shù)的振幅、頻率、相位等特征量來描述其運(yùn)動性質(zhì)。進(jìn)一步在此基礎(chǔ)上探索規(guī)律，構(gòu)建光學(xué)理論。

上述以模型描述世界，以理論逼近真理的方式，在物理學(xué)中常被認(rèn)為是客觀的。不過我們必須認(rèn)識到，模型化的理論并不能100%描述客觀的世界，即便有了許多現(xiàn)代科學(xué)儀器的幫助，人在認(rèn)知自然的過程中，仍然離不開視覺、聽覺、體感等感官的作用，因此一些本來指人感官感受的概念，和描述客觀實(shí)體的概念因?yàn)榇嬖谝欢ǖ膶?yīng)關(guān)系而被混用，造成了一些概念的模糊甚至曲解。

02

“光的顏色”問題

最近筆者讀到河北師范大學(xué)楊大衛(wèi)老師的一篇準(zhǔn)備發(fā)表的文章，其中指出，人教版初中物理課本中有如下錯誤描述：“'紅、綠、藍(lán)’三種色光，按不同比例混合，可以產(chǎn)生各種顏色的光”。對“光的顏色”這種錯誤的認(rèn)識其實(shí)普遍存在于許多科普讀物甚至是教材當(dāng)中，錯誤產(chǎn)生的原因就在于模糊了概念描述的對象。光是自然界的一種客觀實(shí)在，而顏色這個(gè)概念描述的對象卻是視覺，是人的一種感知。

中國有句成語叫“眼見為實(shí)”，我們通常把通過眼睛直接看到的視為最直接的證據(jù)，是以常常把人對某種光的視覺感受——顏色當(dāng)做了光的某種客觀性質(zhì)，因此許多物理書中把“光的顏色”與“光的頻率”或“光的波長”等同起來?？蛇@樣忽略了視覺的形成是個(gè)復(fù)雜過程，它包括物理的部分，即外界的光通過晶狀體聚焦到視網(wǎng)膜，在視網(wǎng)膜上清晰成像；也包括生理的部分，即照射在視網(wǎng)膜上的光與視網(wǎng)膜上視覺細(xì)胞中的感光蛋白發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化成視神經(jīng)上的神經(jīng)信號傳遞給大腦；還包括心理的部分，即傳入大腦的神經(jīng)信號通過大腦的處理最終在人的感知世界里形成明暗、色彩等感知。

圖1 國際照明委員會 CIE 色坐標(biāo)圖(圖片源自網(wǎng)絡(luò))

從物理的角度看，如果用電磁波模型來描述光這種客觀實(shí)在，那么廣義的說，所有的電磁波在基本性質(zhì)和行為模式方面沒有區(qū)別，都可以看做光，其中只有波長約400 nm到760 nm范圍內(nèi)的光能讓人產(chǎn)生視覺感受。而人的顏色感受又比這個(gè)范圍內(nèi)各個(gè)單一波長光刺激視覺產(chǎn)生的顏色感受要豐富得多。從圖1的CIE色坐標(biāo)圖可以看出，波長約400 nm到760 nm范圍的光刺激視覺只能形成馬蹄形曲線上的那些顏色感受，馬蹄形內(nèi)部還有更豐富的顏色感受，而這些感受可以通過不同頻率或波長的光組合刺激視覺獲得，并且這種組合方式通常不止一種。如波長約589 nm的鈉黃光進(jìn)入眼睛可以引起黃色的顏色感受，可同樣的黃顏色感受也完全可以由波長550 nm左右的綠光和波長650 nm左右的紅光以一定比例同時(shí)進(jìn)入眼睛而引起。

又如“白”的顏色感受，可以在CIE坐標(biāo)中畫任意一條通過白色位置，且與馬蹄形線兩側(cè)相交的直線，這兩個(gè)交點(diǎn)位置對應(yīng)波長的光以一定比例混合就能得到，這就是“二基色”的“白光”獲得方法；也可以在馬蹄形線的紅、綠、藍(lán)區(qū)各取一個(gè)點(diǎn)，用相應(yīng)波長對應(yīng)的光以一定比例混合，這就是“三基色”的“白光”獲得方法。完全相同的色彩感受，但引發(fā)它的客觀實(shí)在——光的頻率或波長性質(zhì)卻可以完全不同。此外懂?dāng)z影的朋友應(yīng)該很熟悉“白平衡”的概念，一張紙?jiān)谕耆煌墓庹諚l件下，在攝像器材的感光元件上引起了完全不同的反應(yīng)，但人的視覺卻會把這張紙默認(rèn)識別成為“白”，攝像器材必須對從感光元件上獲取的電信號進(jìn)行修改，才能和人的視覺感受達(dá)成一致。

從以上分析可以看出，視覺上的“顏色”感知和客觀實(shí)在的光的頻率或波長性質(zhì)并非一一對應(yīng)的關(guān)系。某一頻率的光進(jìn)入眼睛會引起某種顏色感受，可同樣的這種視覺感受卻并非只能由這種頻率或波長的光引起。因此用“顏色”這個(gè)本來基于視覺感官的概念來描述“光”這種客觀實(shí)在的性質(zhì)，只是因?yàn)榕c人的直接經(jīng)驗(yàn)較為接近，所以在日常生活甚至科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域被廣泛使用。但嚴(yán)格說來，“光的顏色”并不是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母拍?，使用中?yīng)該理解其中的邊界。

03

聲學(xué)中的感知與實(shí)在

類似光與顏色的問題在聲學(xué)中也有類似的例子。響度、音調(diào)、音色其實(shí)是描述人的聽覺感知，而幅度、頻率和頻譜則是描述客觀物體的振動性質(zhì)。人的聽覺與振動幅度之間的對應(yīng)關(guān)系比光的波長與顏色感知的對應(yīng)關(guān)系要簡單，但也不是簡單正比。隨著振動幅度的增加，相應(yīng)的功率密度正比于振幅的平方，人的響度感知卻不隨之線性增長，描述響度感知的聲強(qiáng)級和描述物理實(shí)在——介質(zhì)振動的功率密度之間呈對數(shù)對應(yīng)關(guān)系。筆者在參與一些科普和科教活動、節(jié)目的設(shè)計(jì)時(shí)，就發(fā)現(xiàn)人們常常本能地以為能量加倍感受到的聲音響度就會大一倍，這背后的原因其實(shí)就是混淆了客觀實(shí)在性質(zhì)和人的感知。

聽覺的音調(diào)、音色同樣如此，音調(diào)感知亦不能簡單說成和介質(zhì)的頻率一一對應(yīng)，而是和介質(zhì)振動的基頻單調(diào)對應(yīng)。音色感知則和介質(zhì)振動的頻譜對應(yīng)，這一點(diǎn)和不同頻率光合成產(chǎn)生人的某種顏色感知類似，然而這個(gè)對應(yīng)關(guān)系比光的色彩感知更為復(fù)雜，難以找到簡單的規(guī)律，至今仍是聲學(xué)研究的前沿之一，我們用人工頻譜合成的方式來還原人類的語音還不能完全做到以假亂真。

04

厘清物理實(shí)在與人的感知

物理學(xué)與客觀世界的關(guān)系某種意義上是人的感知與客觀實(shí)在的某種“諧振”，兩者并不是同一個(gè)主體。物理學(xué)幫助我們理解世界的完整過程是：(1)我們通過感官獲取經(jīng)驗(yàn)；(2)在人的意識世界中構(gòu)建概念和模型與感官經(jīng)驗(yàn)形成對應(yīng)；(3)在模型的基礎(chǔ)上定義物理量，總結(jié)規(guī)律和構(gòu)建物理理論；(4)根據(jù)模型、規(guī)律、理論預(yù)測客觀世界中的實(shí)驗(yàn)可能帶來的新感官經(jīng)驗(yàn)并驗(yàn)證；(5)通過以上過程重復(fù)不斷地完善理論，讓意識世界的模型和理論盡可能地逼近反映真實(shí)的客觀實(shí)在。

對初學(xué)者而言，從觀察和體驗(yàn)走進(jìn)物理是一條正確的道路，因此從感官經(jīng)驗(yàn)開始建立基本的物理概念也是必要的過程。但隨著對物理學(xué)底層邏輯的理解，應(yīng)意識到客觀實(shí)在和人的感知之間的區(qū)別，同時(shí)厘清建立的物理概念和物理量所描述的對象是什么，哪些概念和物理量傾向于描述人的感知感受，哪些概念和物理量則更接近描述物理模型反映的客觀實(shí)在的性質(zhì)。在厘清物理實(shí)在和人的感知的區(qū)別之后，便會意識到不同語境下相關(guān)概念和物理量描述的對象其實(shí)并不相同。還需要進(jìn)一步理解其中的對應(yīng)關(guān)系，才能真正實(shí)現(xiàn)物理學(xué)簡潔、完備、精確地描述世界的目的。而這種概念的厘清，本身也是加深對物理思想理解的過程，是物理思想進(jìn)課堂的一種具體的方式和途徑。

參考文獻(xiàn)

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[2] 趙凱華 . 新概念物理學(xué)教程：光學(xué) . 北京：高等教育出版社，2014

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