分清物理概念描述的对象
王洪鹏
陈征
中科院物理所
2022-12-17 11:50:25
转⾃公众号：中国物理学会期刊⽹
作者：王洪鹏
陈征
(1 中国科学技术馆)
(2 北京交通⼤学物理科学与⼯程学院)
本⽂选⾃《物理》2022年第11期
物理学源⾃⼈类对⾃然的观察和探索，⽽早期⼈们观察⾃然的主要⽅式是借助⾃⼰的感觉器官，因此⼩到物理学的现象、概念，⼤到学科分类都或多或少地受到⼈类感知的影响。如热学、光学、声学的学科分类归根结底是⼈体的冷热感知、视觉和听觉这三种不同的感官，⽽声学中的响度、⾳调、⾳⾊与光学中的颜⾊等概念中也总能感受到⼈类感知的影⼦。
在漫⻓的⼈类认识⾃然的过程中，⼈们逐渐尝试把直观感知与客观实在分离开来，如毕达哥拉斯、柏拉图时代，⼈们认为视觉是眼睛发出射线引起的，⽽到了公元11世纪，埃及光学家阿尔哈曾就认识到视觉的形成是外界的光线进⼊了⼈的眼睛。从阿尔哈曾的认识中可以看出视觉和光不再是同⼀件事：光是⼀种独⽴于⼈存在的客观实在，⽽视觉则是⼈的⼀种感知。
近代物理学建⽴以后，⼈们通常构建各种“模型”来描述客观实在的主要性质。
虽然这些描述也是基于我们对空间、时间、数量等感知基础上的，但它们更加抽象化和定量化。如“光”的模型就经历了⽜顿时期的刚性实物⼩球，菲涅⽿时期的弹性纵波，⻢吕斯之后的弹性横波，⻨克斯⻙、赫兹之后的电磁波，直到量⼦光学中被视为有最⼩能量单元的光量⼦——光⼦，同时光⼦在时空中⼜存在波动性，波恩将其诠释为⼏率波。
在抽象化的基础上，物理学进⼀步采取了“⽤量描述质”的原则，如把光看做粒⼦时，就⽤动量、能量来量化描述我们关⼼的运动性质，⽽把光看做波动时，⽤波速以及波函数的振幅、频率、相位等特征量来描述其运动性质。进⼀步在此基础上探索规律，构建光学理论。
上述以模型描述世界，以理论逼近真理的⽅式，在物理学中常被认为是客观的。不过我们必须认识到，模型化的理论并不能100%描述客观的世界，即便有了许多现代科学仪器的帮助，⼈在认知⾃然的过程中，仍然离不开视觉、听觉、体感等感官的作⽤，因此⼀些本来指⼈感官感受的概念，和描述客观实体的概念因为存在⼀定的对应关系⽽被混⽤，造成了⼀些概念的模糊甚⾄曲解。
最近笔者读到河北师范⼤学杨⼤卫⽼师的⼀篇准备发表的⽂章，其中指出，⼈教版初中物理课本中有如下错误描述：“‘红、绿、蓝’三种⾊光，按不同⽐例混合，可以产⽣各种颜⾊的光”。对“光的颜⾊”这种错误的认识其实普遍存在于许多科普读物甚⾄是教材当中，错误产⽣的原因就在于模糊了概念描述的对象。光是⾃然界的⼀种客观实在，⽽颜⾊这个概念描述的对象却是视觉，是⼈的⼀种感知。
物理实在与⼈类感知“光的颜⾊”问题中国有句成语叫“眼⻅为实”，我们通常把通过眼睛直接看到的视为最直接的证据，是以常常把⼈对某种光的视觉感受——颜⾊当做了光的某种客观性质，因此许多物理书中把“光的颜⾊”与“光的频率”或“光的波⻓”等同起来。
可这样忽略了视觉的形成是个复杂过程，它包括物理的部分，即外界的光通过晶状体聚焦到视⽹膜，在视⽹膜上清晰成像；也包括⽣理的部分，即照射在视⽹膜上的光与视⽹膜上视觉细胞中的感光蛋⽩发⽣光化学反应，从⽽转化成视神经上的神经信号传递给⼤脑；还包括⼼理的部分，即传⼊⼤脑的神经信号通过⼤脑的处理最终在⼈的感知世界⾥形成明暗、⾊彩等感知。
图1 国际照明委员会 CIE ⾊坐标图(图⽚源⾃⽹络)
从物理的⻆度看，如果⽤电磁波模型来描述光这种客观实在，那么⼴义的说，所有的电磁波在基本性质和⾏为模式⽅⾯没有区别，都可以看做光，其中只有波⻓约400 nm到760 nm范围内的光能让⼈产⽣视觉感受。⽽⼈的颜⾊感受⼜⽐这个范围内各个单⼀波⻓光刺激视觉产⽣的颜⾊感受要丰富得多。
从图1的CIE⾊坐标图可以看出，波⻓约400 nm到760 nm范围的光刺激视觉只能形成⻢蹄形曲线上的那些颜⾊感受，⻢蹄形内部还有更丰富的颜⾊感受，⽽这些感受可以通过不同频率或波⻓的光组合刺激视觉获得，并且这种组合⽅式通常不⽌⼀种。
如波⻓约589 nm的钠⻩光进⼊眼睛可以引起⻩⾊的颜⾊感受，可同样的⻩颜⾊感受也完全可以由波⻓550 nm左右的绿光和波⻓650 nm左右的红光以⼀定⽐例同时进⼊眼睛⽽引起。
⼜如“⽩”的颜⾊感受，可以在CIE坐标中画任意⼀条通过⽩⾊位置，且与⻢蹄形线两侧相交的直线，这两个交点位置对应波⻓的光以⼀定⽐例混合就能得到，这就是“⼆基⾊”的“⽩光”获得⽅法；也可以在⻢蹄形线的红、绿、蓝区各取⼀个点，⽤相应波⻓对应的光以⼀定⽐例混合，这就是“三基⾊”的“⽩光”获得⽅法。完全相同的⾊彩感受，但引发它的客观实在——光的频率或波⻓性质却可以完全不同。
此外懂摄影的朋友应该很熟悉“⽩平衡”的概念，⼀张纸在完全不同的光照条件下，在摄像器材的感光元件上引起了完全不同的反应，但⼈的视觉却会把这张纸默认识别成为“⽩”，摄像器材必须对从感光元件上获取的电信号进⾏修改，才能和⼈的视觉感受达成⼀致。
从以上分析可以看出，视觉上的“颜⾊”感知和客观实在的光的频率或波⻓性质并⾮⼀⼀对应的关系。
某⼀频率的光进⼊眼睛会引起某种颜⾊感受，可同样的这种视觉感受却并⾮只能由这种频率或波⻓的光引起。因此⽤“颜⾊”这个本来基于视觉感官的概念来描述“光”这种客观实在的性质，只是因为与⼈的直接经验较为接近，所以在⽇常⽣活甚⾄科学技术领域被⼴泛使⽤。但严格说来，“光的颜⾊”并不是⼀个严谨的概念，使⽤中应该理解其中的边界。
类似光与颜⾊的问题在声学中也有类似的例⼦。
响度、⾳调、⾳⾊其实是描述⼈的听觉感知，⽽幅度、频率和频谱则是描述客观物体的振动性质。⼈的听觉与振动幅度之间的对应关系⽐光的波⻓与颜⾊感知的对应关系要简单，但也不是简单正⽐。随着振动幅度的增加，相应的功率密度正⽐于振幅的平⽅，⼈的响度感知却不随之线性增⻓，描述响度感知的声强级和描述物理实在——介质振动的功率密度之间呈对数对应关系。
笔者在参与⼀些科普和科教活动、节⽬的设计时，就发现⼈们常常本能地以为能量加倍感受到的声⾳响度就会⼤⼀倍，这背后的原因其实就是混淆了客观实在性质和⼈的感知。
听觉的⾳调、⾳⾊同样如此，⾳调感知亦不能简单说成和介质的频率⼀⼀对应，⽽是和介质振动的基频单调对应。⾳⾊感知则和介质振动的频谱对应，这⼀点和不同频率光合成产⽣⼈的某种颜⾊感知类似，然⽽这个对应关系⽐光的⾊彩感知更为复杂，难以找到简单的规律，⾄今仍是声学研究的前沿之⼀，我们⽤⼈⼯频谱合成的⽅式来还原⼈类的语⾳还不能完全做到以假乱真。
厘清物理实在与⼈的感知物理学与客观世界的关系某种意义上是⼈的感知与客观实在的某种“谐振”，两者并不是同⼀个主体。
物理学帮助我们理解世界的完整过程是：(1)我们通过感官获取经验；(2)在⼈的意识世界中构建概念和模型与感官经验形成对应；(3)在模型的基础上定义物理量，总结规律和构建物理理论；(4)根据模型、规律、理论预测客观世界中的实验可能带来的新感官经验并验证；(5)通过以上过程重复不断地完善理论，让意识世界的模型和理论尽可能地逼近反映真实的客观实在。
对初学者⽽⾔，从观察和体验⾛进物理是⼀条正确的道路，因此从感官经验开始建⽴基本的物理概念也是必要的过程。但随着对物理学底层逻辑的理解，应意识到客观实在和⼈的感知之间的区别，同时厘清建⽴的物理概念和物理量所描述的对象是什么，哪些概念和物理量倾向于描述⼈的感知感受，哪些概念和物理量则更接近描述物理模型反映的客观实在的性质。
在厘清物理实在和⼈的感知的区别之后，便会意识到不同语境下相关概念和物理量描述的对象其实并不相同。还需要进⼀步理解其中的对应关系，才能真正实现物理学简洁、完备、精确地描述世界的⽬的。⽽这种概念的厘清，本身也是加深对物理思想理解的过程，是物理思想进课堂的⼀种具体的⽅式和途径。
参考⽂献
[1] 姚启钧. 光学教程. 北京：⾼等教育出版社，2019
[2] 赵凯华. 新概念物理学教程：光学. 北京：⾼等教育出版社，2014
[3] 廖宁放. ⾼等⾊度学. 北京：北京理⼯⼤学出版社，2020
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来源：中国物理学会期刊⽹编辑：草莓熊
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