我们需要量子物理学才能看见 - 《华尔街日报》

插图：托马斯·瓦伦塔诺贝尔奖与邓普顿奖得主、物理学家弗兰克·维尔切克探索宇宙奥秘。阅读往期专栏请点击此处。

许多人一听到“量子力学”这个词，就会警惕那些深奥的悖论。确实，这类悖论层出不穷。但正如我那位才华横溢的物理学家朋友西德尼·科尔曼在哈佛大学一次著名演讲中所说，量子物理学有时“直白得令人无法忽视”。

听觉的产生源于我们感知压力波——通常称为声波——这些声波作用于我们的耳膜。通过精妙的自然机械构造传导，声波会引发内耳膜的振动。这些膜就像一对反向钢琴的琴键：声音在弹奏琴键！神经元根据琴键运动产生反应，生成我们大脑解读为音乐、语音或其他声音的信号。

这一过程中有两点值得注意。首先，我们天生能将传入的波形分解为纯音成分。数学家们在19世纪就学会了用方程实现这一壮举，称之为傅里叶分析。这与光谱仪（从艾萨克·牛顿的棱镜到精密现代仪器）将光分解为频率成分的原理类似——尽管我们的眼睛不具备这种功能。

其次，响应是分级的：音调越响亮，对应琴键的运动就越有力。这就像真正的钢琴，按键的力度决定了它是发出更响亮还是更柔和的响应，而羽管键琴则不同，其琴弦只能以恒定音量拨动。

视觉在这两方面与听觉截然不同。光的振动速度超过了机械工程能处理的范围，但我们的视觉器官可以利用光以能量包——光子——的形式存在这一事实，光子能引发分子形状的变化。现在我们谈论的是量子理论。

对大多数人来说，色觉涉及视网膜视锥细胞中的三种受体蛋白。光子要么引发形状变化，要么不引发；这种效应是全有或全无的，不是分级的。而且，量子力学的典型特征是它们是随机的：我们无法准确预测一个给定的光子是否会触发给定的受体，只能提供概率。这些概率取决于光子的波长——即它所代表的色调——以及所涉及的受体蛋白类型。

与听觉的“反向钢琴”那强劲的动态相比，视觉神经元能‘看到’的东西更像是只有三个键且调音不佳的羽管键琴键盘。

由于许多不同的光子组合可以产生相同的概率模式，许多物理上不同的光照模式会产生相同的颜色。这样，我们所有人都是严重的色盲。

在昏暗的光线下，我们会遇到视觉的另一个限制，这来自于光子的不可预测行为。当只有少量光子可用时，视锥细胞变得不可靠，我们会切换到基于不同细胞——视杆细胞的夜视模式。夜间的羽管键琴只有一个键，因此我们只能根据该键触发的频率感知到或浅或深的灰色阴影。

视觉的基本限制源于其对量子过程的依赖。然而，外部世界的信息洪流如此汹涌，即便是衰减后的信息流也足以让我们的大脑构建出一幅精彩的动态画面。量子力学绝非遥不可及或深奥难懂，它其实就在你"眼前"——准确地说，是在你的视网膜里。

刊载于2023年5月20日印刷版，标题为《我们需要量子物理学才能看见》。