每年的4月14日是世界量子日。世界量子日由國際科學(xué)家團(tuán)體發(fā)起。之所以選擇4月14日，是因為“4.14”代表普朗克常數(shù)四舍五入后的前三位數(shù)字：4.14×10^（-15）eV·s。

人眼是如何感知到色彩的？視覺的本質(zhì)竟與量子力學(xué)相關(guān)？2025年恰逢聯(lián)合國國際量子科學(xué)技術(shù)年（IYQ），讓諾獎得主Frank Wilczek帶你一起探秘隨處可見，卻神秘莫測的光子。

撰文 | Frank Wilczek

翻譯| 胡風(fēng)、梁丁當(dāng)

利用奇異量子特性來設(shè)計探測信號的傳感器，是現(xiàn)代物理學(xué)的前沿領(lǐng)域。然而，大自然早已走在了前面：地球上有些最精妙的量子傳感器，已經(jīng)運(yùn)作了數(shù)百萬年。它們讓我們能夠識別遙遠(yuǎn)處的物體，提醒我們注意未成熟的食物、毒物和傷人的野獸，還讓我們得以欣賞寶石的流光和彩虹的斑斕，或者從普通的砂石中分辨出微小的金粒。這些神奇的傳感器，就是我們眼球后方的感光分子，它們通過響應(yīng)入射的光子，賦予了我們感知顏色的能力。

視覺是量子世界賜予我們的禮物。為了理解這一點，我們可以將視覺與聽覺進(jìn)行對比。本質(zhì)上，聽覺和視覺都是感知振動。聽覺感知的是空氣等介質(zhì)中壓強(qiáng)變化的傳播，即聲波；而視覺捕捉的則是電磁場擾動的傳播，也就是光——一種電磁波。這兩種振動的頻率存在巨大的差異。人類可聽見的聲波頻率在20到20,000赫茲之間，即每秒振動20到20000次。（狗能聽到高達(dá)45,000赫茲的聲波，因此能聽到特殊的“狗哨聲”）。而可見光的電磁波振動頻率比聲波快了萬億多倍。

大自然進(jìn)化出了一套精妙的機(jī)械系統(tǒng)，能夠與可感知的聲波保持同步，用專業(yè)術(shù)語來說，就是產(chǎn)生共振。這正是我們能夠感知聲音的奧妙所在。我們的外耳以奇特的形狀收集聲波，并將其聚焦，然后通過鼓膜和聽小骨把聲波傳輸至內(nèi)耳的液體。在那里，聲波遇到了逐漸變窄的基底膜。基底膜與聲波發(fā)生共振，產(chǎn)生一系列神經(jīng)電脈沖。這些脈沖最終被大腦解讀為話語、音樂、信號或者噪音。正是通過這一系列的振動能量的轉(zhuǎn)換過程，能夠?qū)⑷绲鸵舸筇柊l(fā)出的低頻長波聲波巧妙地壓縮成適合頭顱內(nèi)部的振動（工程師們稱之為“阻抗匹配”）。我總喜歡把基底膜想象成一架神奇的反向鋼琴鍵盤——在那里，是聲音在撥動琴鍵。

人耳是接收和處理聲波信號的器官（來源：unsplash）

我們的聽覺系統(tǒng)真是一項精妙的生物工程，進(jìn)化則是它的偉大設(shè)計師！然而，任何機(jī)械系統(tǒng)都無法達(dá)到光的振動頻率。既然共振原理行不通，大自然便需要另辟蹊徑。

幸運(yùn)的是，量子力學(xué)為大自然提供了完美的解決方案。從本質(zhì)上講，視覺就是一種量子感知。接下來，我們就來探討為什么它必須是量子的，以及它的運(yùn)作機(jī)制。

根據(jù)量子力學(xué)原理，振動能量是以離散的“能量包”（即量子）的形式進(jìn)行傳遞的，每個能量包的能量與振動頻率成正比。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦在研究電磁振動（即我們現(xiàn)在所謂的光子）時，首次提出了這一開創(chuàng)性理論。數(shù)年之后，他又將這一思想拓展應(yīng)用到物質(zhì)振動領(lǐng)域（即如今所謂的聲子）。

愛因斯坦提出的這些革命性想法，最初在學(xué)術(shù)界遭到了冷遇。這一點，我們可以從馬克斯·普朗克1913年推薦愛因斯坦入選著名的普魯士科學(xué)院的信中窺見一斑。在這封熱情洋溢的推薦信中，普朗克以略帶歉意的語氣寫道：“他的理論猜想偶爾比較激進(jìn)，比如他的光量子假說，但我們不應(yīng)因此對他苛責(zé)?！?/p>

然而，數(shù)年之后，在1921年，愛因斯坦榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎，獲獎理由"主要是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律"——即他的光量子假說。他那些曾被視作荒誕的預(yù)言，最終被實驗所驗證。如今，愛因斯坦提出的振動能量量子化的假說已經(jīng)是現(xiàn)代量子力學(xué)的基石之一，通過了無數(shù)實驗的驗證，并被廣泛應(yīng)用于實際領(lǐng)域。

阿爾伯特·愛因斯坦，理論物理學(xué)家，1921年，他因發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律榮獲諾貝爾物理學(xué)獎（來源：wikipedia）

單個光子攜帶的能量足以改變視蛋白分子的形狀。這是人類視覺感知所依賴的核心機(jī)制。在我們眼球后部的一些特殊細(xì)胞中（它們構(gòu)成了視網(wǎng)膜），含有多種被稱為視蛋白的大分子。它們在吸收光子后，形狀會發(fā)生彎曲，從而產(chǎn)生電脈沖。這些脈沖就是大腦構(gòu)建視覺影像的原始素材。

這與聽覺的形成機(jī)制不同。宏觀物體的機(jī)械振動——即便是像基底膜這樣微小結(jié)構(gòu)的振動——都是大量聲子的集體行為。無論是幾不可聞的低聲細(xì)語，還是樹葉沙沙的摩挲輕響，都包含了數(shù)以百萬乃至數(shù)億個聲子。因為單個聲子的能量很小，量子效應(yīng)對聽覺的影響微乎其微?，F(xiàn)代物理學(xué)家雖然能夠檢測單聲子，但這需要在極低溫和高度安靜的環(huán)境下，使用精密儀器才能實現(xiàn)。

而我們對色彩的感知，從原理上講，則是量子力學(xué)如何工作的一個絕妙范例。下面我將仔細(xì)解釋。

絕大多數(shù)人的視網(wǎng)膜中央凹區(qū)域，都密集分布著一種所謂的視錐細(xì)胞，其中包含三種不同的視蛋白。這三種視蛋白主要負(fù)責(zé)我們在白晝或充足光照下的視覺，使我們能感知繽紛的色彩。而在視網(wǎng)膜的周邊區(qū)域，則稀疏地分布著一種所謂的視桿細(xì)胞。它包含了第四種視蛋白，專司我們的（單色）夜視功能。

因為視蛋白對光子的吸收遵循量子理論法則，其過程也呈現(xiàn)出典型的量子特征，即：其響應(yīng)要么全有要么全無，并具有概率性。這兩個特征對塑造我們的視覺至關(guān)重要。

所謂"全有或全無"，是指視蛋白要么完全吸收光子并達(dá)到特定終態(tài)，要么完全不吸收。不存在"稍微彎曲"的中間狀態(tài)——要么完全形變，要么維持原狀。這使得產(chǎn)生的脈沖信號具有均勻性和離散性，大大簡化了神經(jīng)系統(tǒng)對信號的解讀。負(fù)責(zé)處理不同視錐細(xì)胞信號的神經(jīng)元能夠準(zhǔn)確識別各自的信息。因此，當(dāng)我們在觀察世界時，我們的視覺系統(tǒng)早已利用量子力學(xué)實現(xiàn)了數(shù)字化信息處理——早在我們理解這一過程之前。

"概率性"指的是我們無法準(zhǔn)預(yù)測一個光子是否會被某個視蛋白吸收。根據(jù)量子理論，我們只能計算事件發(fā)生的幾率。每種視蛋白都有一條靈敏度曲線，反映它對不同頻率光子的吸收概率。根據(jù)其峰值靈敏度對應(yīng)的顏色，視網(wǎng)膜中央凹的三種視蛋白常被稱為藍(lán)、綠、紅檢測器。但這種命名具有誤導(dǎo)性，因為它們的靈敏度往往覆蓋較寬的頻率范圍，比如：綠色檢測器對紅光其實也有顯著響應(yīng)，反之亦然。因此，視覺科學(xué)家更傾向于用S（短波）、M（中波）、L（長波）——而不是顏色——來命名這些檢測器。

無論以何種方式命名，人類色覺僅依賴三種視蛋白這一事實產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。這使得我們僅需三種原色就能產(chǎn)生所有可見色彩。因此，我們的計算機(jī)和數(shù)字電視顯示屏僅用三種LED像素、數(shù)碼打印機(jī)只需三種墨水，就能呈現(xiàn)逼真的色彩。而由藍(lán)、綠、紅三原色光束混合生成新色彩的原理示意圖，更是成為了最具標(biāo)志性的圖示之一。

有意思的是，我興奮的發(fā)現(xiàn)：這些色彩原理的奠基性研究是由揭示光電磁場本質(zhì)的物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在19世紀(jì)中葉完成的。他利用轉(zhuǎn)盤混合轉(zhuǎn)盤上不同紙帶的顏色，揭示了只需三種固定顏色的不同比例組合，就能模擬任意色彩。

麥克斯韋的顏色轉(zhuǎn)盤。這里顯示的是利用特定組合的藍(lán)色、綠色、紅色紙袋來模擬灰色

為避免一個常見的誤會，我想強(qiáng)調(diào)上述顏色混合方式——無論是混合光束、墨點或油彩、還是旋轉(zhuǎn)色盤——都與把顏料分層疊加的效果是不同的。前者是不同光源的光線疊加。而顏料則是通過吸收反射光中的特定顏色——也就是從光中去掉特定顏色——來實現(xiàn)的。因此，當(dāng)我們把藍(lán)、紅、綠三色光混合會產(chǎn)生白光，但將藍(lán)、紅、綠蠟筆混合涂畫卻會呈現(xiàn)近黑色、而不是白色。

但換個角度講，三原色視覺原理意味著我們所有人都是嚴(yán)重的色盲。紅綠光束混合產(chǎn)生的黃光，和我們從彩虹中看到的“純”黃光，雖然相似，卻非常不同。如果類似的現(xiàn)象發(fā)生在音樂中，我們會無法分辨單獨演奏的E音與C-G和弦的區(qū)別。事實是，我們能夠識別和弦中的單個音符，卻無法解析混合光的光譜成分。這個缺陷正是量子視覺的副產(chǎn)品。我們并不單獨識別不同頻率的光波強(qiáng)度，而是通過三種視蛋白各自激發(fā)狀態(tài)的疊加來感知色彩。由于光譜是連續(xù)的，僅靠三原色遠(yuǎn)不能覆蓋無窮的光譜，導(dǎo)致我們丟失了大量色彩信息。

光學(xué)三棱鏡中光的色散（來源：wikipedia）

我們能否還原這些缺失的色彩？答案是肯定的，而且方法有多種。其中最強(qiáng)大的（盡管并非最方便的）當(dāng)屬光譜分析。光譜分析源自牛頓，它的原理是：讓入射光束通過棱鏡，由于不同頻率的光在玻璃中的折射率不同，光束會被分解，形成詳細(xì)的光強(qiáng)分布圖譜。

這種被稱為光束光譜的強(qiáng)度分布，能揭示產(chǎn)生光束的量子過程的豐富信息！利用量子理論，我們常常能夠辨識出特定原子、分子在其原生環(huán)境中的光譜指紋。比如，我們可以利用光譜分析，來分析恒星大氣的溫度、磁場及化學(xué)組成。當(dāng)今光譜科學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域是對系外行星傳來的甚微弱光信號進(jìn)行精密分析，從中尋找潛在的生命跡象、甚至外星工業(yè)的證據(jù)。

氫元素的吸收光譜和太陽的光譜線

另一個與此截然不同的方法則是：創(chuàng)造具有不同靈敏度譜的新型視蛋白，并嘗試誘導(dǎo)視錐細(xì)胞接受這些新型蛋白。這在自然界中早已存在先例。綠色色弱患者——一種最常見的色盲——其M型視蛋白就存在變異，具有不同的靈敏度譜。因此，許多人——特別是綠色色弱男性的女兒——可能會同時攜帶來自兩條X染色體的正常與變異的視蛋白，從而成為具有超常色覺的四色視者。這些人中常常涌現(xiàn)出杰出的設(shè)計師或藝術(shù)家。放眼其他的動物種群，很多動物都有更多不同的視蛋白。鴿子擁有五種視蛋白，螳螂蝦甚至具備十二種以上。通過基因工程，猴子可以獲得額外的視蛋白，從而具有色覺超能力。也許未來，人類也能有這樣的能力。

在亞利桑那州立大學(xué)Nathan Newman教授團(tuán)隊及藝術(shù)家Denise Milan、Penny Cagney的協(xié)作下，我們正在探索一種更簡易、更弱侵入性的方案來拓展色彩感知。當(dāng)我們通過反射光感知物體時——絕大多數(shù)情況都是如此！——我們的視覺感知是由物體和光源共同決定的。通過可控的、交互式的光源調(diào)節(jié)方式，我們能夠選擇性地呈現(xiàn)場景中的不同特征。比如，我們可以讓天空更藍(lán)，或者讓水仙花田的金黃色更燦爛。通過不停嘗試，我們可以體驗四色視者對世界的感知，甚至模擬鴿子或螳螂蝦的色覺。從更廣泛的意義上說，這項技術(shù)將為視覺藝術(shù)創(chuàng)作開啟全新的可能性。

讓我們衷心感謝人腦中的這些量子傳感器，并慶幸我們擁有理解它們的能力。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號“墨子沙龍”。

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