人眼是如何感知到色彩的？視覺的本質竟與量子力學相關？2025年恰逢聯合國國際量子科學技術年（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。

作者：Frank Wilczek

翻譯：胡風、梁丁當

利用奇異量子特性來設計探測信號的傳感器，是現代物理學的前沿領域。 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，已經運作了數百萬年。 它們讓我們能夠識別遙遠處的物體，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行對比。本質上，聽覺和視覺都是感知振動。聽覺感知的是空氣等介質中壓強變化的傳播，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。

大自然進化出了一套精妙的機械系統，能夠與可感知的聲波保持同步，用專業術語來說，就是產生共振。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。基底膜與聲波發生共振，產生一系列神經電脈沖。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換過程，能夠將如低音大號發出的低頻長波聲波巧妙地壓縮成適合頭顱內部的振動（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）

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

幸運的是，量子力學為大自然提供了完美的解決方案。從本質上講，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，以及它的運作機制。

根據量子力學原理，振動能量是以離散的"能量包" （即量子）的形式進行傳遞的，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 （即我們現在所謂的光子）時，首次提出了這一開創性理論。數年之后，他又將這一思想拓展應用到物質振動領域 （即如今所謂的聲子）。

愛因斯坦提出的這些革命性想法，最初在學術界遭到了冷遇。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，比如他的光量子假說，但我們不應因此對他苛責。”

然而，數年之后，在1921年，愛因斯坦榮獲了諾貝爾物理學獎，獲獎理由"主要是發現了光電效應定律"——即他的光量子假說。他那些曾被視作荒誕的預言，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是現代量子力學的基石之一，通過了無數實驗的驗證，并被廣泛應用于實際領域。

▲ 阿爾伯特·愛因斯坦，理論物理學家，1921年，他因發現了光電效應定律榮獲諾貝爾物理學獎 （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制。在我們眼球后部的一些特殊細胞中 （它們構成了視網膜），含有多種被稱為視蛋白的大分子。它們在吸收光子后，形狀會發生彎曲，從而產生電脈沖。這些脈沖就是大腦構建視覺影像的原始素材。

這與聽覺的形成機制不同。宏觀物體的機械振動——即便是像基底膜這樣微小結構的振動——都是大量聲子的集體行為。無論是幾不可聞的低聲細語，還是樹葉沙沙的摩挲輕響，都包含了數以百萬乃至數億個聲子。因為單個聲子的能量很小，量子效應對聽覺的影響微乎其微。現代物理學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境下，使用精密儀器才能實現。

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

絕大多數人的視網膜中央凹區域，都密集分布著一種所謂的視錐細胞，其中包含三種不同的視蛋白。這三種視蛋白主要負責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。而在視網膜的周邊區域，則稀疏地分布著一種所謂的視桿細胞。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，其過程也呈現出典型的量子特征，即：其響應要么全有要么全無，并具有概率性。這兩個特征對塑造我們的視覺至關重要。

所謂"全有或全無"，是指視蛋白要么完全吸收光子并達到特定終態，要么完全不吸收。不存在"稍微彎曲"的中間狀態——要么完全形變，要么維持原狀。這使得產生的脈沖信號具有均勻性和離散性，大大簡化了神經系統對信號的解讀。負責處理不同視錐細胞信號的神經元能夠準確識別各自的信息。因此，當我們在觀察世界時，我們的視覺系統早已利用量子力學實現了數字化信息處理——早在我們理解這一過程之前。

"概率性"指的是我們無法準預測一個光子是否會被某個視蛋白吸收。根據量子理論，我們只能計算事件發生的幾率。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。根據其峰值靈敏度對應的顏色，視網膜中央凹的三種視蛋白常被稱為藍、綠、紅檢測器。但這種命名具有誤導性，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，反之亦然。因此，視覺科學家更傾向于用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生了深遠的影響。這使得我們僅需三種原色就能產生所有可見色彩。因此，我們的計算機和數字電視顯示屏僅用三種LED像素、數碼打印機只需三種墨水，就能呈現逼真的色彩。而由藍、綠、紅三原色光束混合生成新色彩的原理示意圖，更是成為了最具標志性的圖示之一。

有意思的是，我興奮的發現：這些色彩原理的奠基性研究是由揭示光電磁場本質的物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 （James Clerk Maxwell）在19世紀中葉完成的。他利用轉盤混合轉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。

▲麥克斯韋的顏色轉盤。這里顯示的是利用特定組合的藍色、綠色、紅色紙袋來模擬灰色

為避免一個常見的誤會，我想強調上述顏色混合方式——無論是混合光束、墨點或油彩、還是旋轉色盤——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——來實現的。因此，當我們把藍、紅、綠三色光混合會產生白光，但將藍、紅、綠蠟筆混合涂畫卻會呈現近黑色、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重的色盲。紅綠光束混合產生的黃光，和我們從彩虹中看到的“純”黃光，雖然相似，卻非常不同。如果類似的現象發生在音樂中，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品。我們并不單獨識別不同頻率的光波強度，而是通過三種視蛋白各自激發狀態的疊加來感知色彩。由于光譜是連續的，僅靠三原色遠不能覆蓋無窮的光譜，導致我們丟失了大量色彩信息。

▲光學三棱鏡中光的色散（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。其中最強大的 （盡管并非最方便的）當屬光譜分析。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，形成詳細的光強分布圖譜。

這種被稱為光束光譜的強度分布，能揭示產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、磁場及化學組成。當今光譜科學最活躍的前沿領域是對系外行星傳來的甚微弱光信號進行精密分析，從中尋找潛在的生命跡象、甚至外星工業的證據。

▲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：創造具有不同靈敏度譜的新型視蛋白，并嘗試誘導視錐細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。這些人中常常涌現出杰出的設計師或藝術家。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Nathan Newman教授團隊及藝術家Denise Milan、Penny Cagney的協作下，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。當我們通過反射光感知物體時——絕大多數情況都是如此！——我們的視覺感知是由物體和光源共同決定的。通過可控的、交互式的光源調節方式，我們能夠選擇性地呈現場景中的不同特征。比如，我們可以讓天空更藍，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，這項技術將為視覺藝術創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。

本文轉載自《墨子沙龍》微信公眾號

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