诺奖得主 Wilczek ：“眼前”的量子力学

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诺奖得主 Wilczek ：“眼前”的量子力学

作者 | Frank Wilczek

翻译 | 胡风、梁丁当



眼睛能感知颜色，是因为光量子不可预测的振动改变了分子的形态。

提起“ 量子力学 ”，人们常常会想起很多神奇的悖论。确实，量子力学总是看上去高深莫测、遥不可及。但有时，就像我的好朋友、物理学家悉尼 · 科尔曼 (Sidney Coleman) 在美国哈佛大学的一次著名演讲中提到的：量子物理学就“在你眼前”。

我们能听见声音，是因为耳朵里的鼓膜（也称耳膜）感受到了压力波，也就是声波。人耳有着精妙的传输机械振动的通道，声波通过外耳道抵达中耳的鼓膜并引起振动。这两个耳膜就像一对反向钢琴（与钢琴通过手指“无声”地敲击琴键发出声音相对）的“琴键”，声波则是琴键上飞舞的手指！神经元随着琴键的跳动产生响应，向大脑发送电信号。我们的大脑再将这些信号转化为音乐、言语或者其他的声音。在这个过程中，有两点值得注意。首先，人耳能够天然地把接收到的声波分解，形成声谱。然而，直到 19 世纪，数学家才建立了能实现类似操作的数学方程，也就是傅立叶分析。

人耳的这项功能与光谱仪（分光仪）有异曲同工之处。光谱仪能把光分解为光谱，它有很多类型，从牛顿棱镜到各种复杂的现代仪器，但人眼不在其中。

其次，耳朵对声音的响应是分级的 ：某个音调越响，相应琴键的振动就越强。这就像在弹钢琴时，手指触键的力度决定了琴声是更响亮还是更柔和。与此形成鲜明对比的是羽管键琴（钢琴的前身），弹奏这种乐器时，羽管会以恒定的力度拨奏琴弦，因此手指触键的力度对琴声的影响甚微，音量也不会变化。

与听觉相比，视觉的形成在以上两个方面都非常不同。首先，光波的频率超出了所有生物机械结构的接收范围，因此人眼无法像耳朵分解声音频谱那样分解光的频谱。

我们的眼睛能感知光，本质上是因为光是由一份一份的能量——光子构成的，这可以触发分子形状的变化。从这里开始，我们要讲到量子物理。

对大多数人而言，彩色视觉需要依靠视网膜内三种视锥细胞中的受体蛋白质——视蛋白。当视蛋白感受到光子时，它的形状要么改变，要么不变，这个反应是开关式的，不是分级的。而根据量子力学，这种形变的发生与否还是概率性的。也就是说，我们无法准确地预测某个光子是否会触发特定的视蛋白形变，但能够知道它发生的概率。这个概率取决于光子的波长——光的颜色——以及触发的视蛋白种类。

如果说听觉的形成像是在反向钢琴上层次丰富地演奏，那么视觉神经元就是通过只有三个琴键且调音不准的羽管键琴来“看”这个世界。

由于不同的光子组合可能产生相同的概率模式，许多物理上不同的光源模式会使人眼感知到相同的颜色。从这个角度来看，我们所有人其实都是严重的色盲患者。

当光线昏暗时，光子的量子性迫使我们的视觉感知进入另一个极限。在只有几个光子时，基于视锥细胞的感知模式不再可靠，人眼将切换到基于视杆细胞的夜视模式。这种模式下的羽管键琴只有一个琴键，因此我们只能通过该琴键的触发频率感知到不同程度的灰色。

可以说，量子力学从根本上限制了我们的视觉感知能力。然而，当巨量的外界信息喷涌而至，即使我们只能感知其中的一小部分，也足以让我们的大脑加工出一部美轮美奂的电影。是的，量子力学既不遥远也不怪异，它就“在你的眼前”——更确切地说，它就在你的视网膜上。

Frank Wilczek



弗兰克·维尔切克是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因发现了量子色动力学的渐近自由现象，他在 2004 年获得了诺贝尔物理学奖。

本文转载自微信公众号“蔻享学术”。