我們需要量子物理學才能看見 - 《華爾街日報》

插圖：托馬斯·瓦倫塔諾貝爾獎與鄧普頓獎得主、物理學家弗蘭克·維爾切克探索宇宙奧秘。閲讀往期專欄請點擊此處。

許多人一聽到“量子力學”這個詞，就會警惕那些深奧的悖論。確實，這類悖論層出不窮。但正如我那位才華橫溢的物理學家朋友西德尼·科爾曼在哈佛大學一次著名演講中所説，量子物理學有時“直白得令人無法忽視”。

聽覺的產生源於我們感知壓力波——通常稱為聲波——這些聲波作用於我們的耳膜。通過精妙的自然機械構造傳導，聲波會引發內耳膜的振動。這些膜就像一對反向鋼琴的琴鍵：聲音在彈奏琴鍵！神經元根據琴鍵運動產生反應，生成我們大腦解讀為音樂、語音或其他聲音的信號。

這一過程中有兩點值得注意。首先，我們天生能將傳入的波形分解為純音成分。數學家們在19世紀就學會了用方程實現這一壯舉，稱之為傅里葉分析。這與光譜儀（從艾薩克·牛頓的稜鏡到精密現代儀器）將光分解為頻率成分的原理類似——儘管我們的眼睛不具備這種功能。

其次，響應是分級的：音調越響亮，對應琴鍵的運動就越有力。這就像真正的鋼琴，按鍵的力度決定了它是發出更響亮還是更柔和的響應，而羽管鍵琴則不同，其琴絃只能以恆定音量撥動。

視覺在這兩方面與聽覺截然不同。光的振動速度超過了機械工程能處理的範圍，但我們的視覺器官可以利用光以能量包——光子——的形式存在這一事實，光子能引發分子形狀的變化。現在我們談論的是量子理論。

對大多數人來説，色覺涉及視網膜視錐細胞中的三種受體蛋白。光子要麼引發形狀變化，要麼不引發；這種效應是全有或全無的，不是分級的。而且，量子力學的典型特徵是它們是隨機的：我們無法準確預測一個給定的光子是否會觸發給定的受體，只能提供概率。這些概率取決於光子的波長——即它所代表的色調——以及所涉及的受體蛋白類型。

與聽覺的“反向鋼琴”那強勁的動態相比，視覺神經元能‘看到’的東西更像是隻有三個鍵且調音不佳的羽管鍵琴鍵盤。

由於許多不同的光子組合可以產生相同的概率模式，許多物理上不同的光照模式會產生相同的顏色。這樣，我們所有人都是嚴重的色盲。

在昏暗的光線下，我們會遇到視覺的另一個限制，這來自於光子的不可預測行為。當只有少量光子可用時，視錐細胞變得不可靠，我們會切換到基於不同細胞——視杆細胞的夜視模式。夜間的羽管鍵琴只有一個鍵，因此我們只能根據該鍵觸發的頻率感知到或淺或深的灰色陰影。

視覺的基本限制源於其對量子過程的依賴。然而，外部世界的信息洪流如此洶湧，即便是衰減後的信息流也足以讓我們的大腦構建出一幅精彩的動態畫面。量子力學絕非遙不可及或深奧難懂，它其實就在你"眼前"——準確地説，是在你的視網膜裏。

刊載於2023年5月20日印刷版，標題為《我們需要量子物理學才能看見》。