物理现实和人类感知
物理学起源于人类对自然的观察和探索。早期人类主要借助感官来观察自然。因此，从物理学的现象、概念到学科的分类，都或多或少受到人类感知的影响。例如热力学、光学、声学的分类，最终都是基于人体对冷热、视觉、听觉的三种不同感觉。声学中的响度、音高、音色，光学中的颜色等概念中，也都能感受到人类感知的影子。
在人类对自然的漫长认识过程中，人们逐渐试图将直觉感知与客观现实区分开来。例如，在毕达哥拉斯和柏拉图时代，人们认为视觉是由眼睛发出的射线引起的。公元 11 世纪初中物理教材科教版，埃及光学家海曾认识到视觉是外界光线进入人眼后形成的。从海曾的认识中可以看出，视觉和光不再是同一种东西：光是独立于人类而存在的客观现实，而视觉是人类的一种感知。
现代物理学建立后贝语网校，人们通常会构造各种“模型”来描述客观现实的主要性质。这些描述虽然也是基于我们对空间、时间、数量等的感知，但更加抽象、量化。例如“光”的模型，经历了牛顿时代的刚性物理球、菲涅尔时代的弹性纵波、马吕斯之后的弹性横波、麦克斯韦、赫兹之后的电磁波，直到量子光学中被视为最小能量单位的光量子——光子。同时，光子在空间和时间中都具有波动性，玻恩将其解释为概率波。在抽象的基础上，物理学进一步采取了“以量描述质”的原则。例如，当光被视为粒子时，动量和能量被用来定量描述我们关心的运动性质。 当光被视为波时（无论是弹性波、电磁波还是概率波），波速以及波函数的振幅、频率、相位等特征量都是描述其运动性质的。在此基础上进一步探索其中的规律，构建光学理论。
上述用模型描述世界、用理论接近真理的方式，在物理学中通常被认为是客观的。但我们必须看到，模型化的理论并不能100%地描述客观世界。即使借助许多现代科学仪器，人们在认识自然的过程中仍然离不开视觉、听觉、体感等感官的作用。因此，一些原本指人类感官知觉的概念与描述客观实体的概念由于一定的对应关系而混杂在一起，导致一些概念的模糊性甚至失真。
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“光的颜色”问题
最近看到一篇即将发表的文章，是河北师范大学杨大卫教授写的，文章中指出人教版初中物理教材中有一个错误：“红、绿、蓝三种颜色的光，按照不同的比例混合，可以产生各种颜色的光。”这种对“光的颜色”的误解，其实在很多科普读物甚至教材中都很常见。错误的原因在于概念描述的对象模糊。光是自然界客观存在的，而颜色这个概念描述的是视觉，是人的一种知觉。
中国有句成语叫“眼见为实”。我们通常把眼睛直接看到的东西当作最直接的证据，常常把人对某种光——颜色的视觉感受当作光的某种客观属性。因此，很多物理书上把“光的颜色”等同于“光的频率”或“光的波长”。但这忽略了视觉的形成是一个复杂的过程，它包括物理部分，即外界光线经晶状体聚焦到视网膜上，在视网膜上形成清晰的图像；还包括生理部分，即照射到视网膜上的光线与视网膜上视觉细胞中的感光蛋白发生光化学反应，从而转换成视神经上的神经信号，传递到大脑；还包括心理部分，即传递到大脑的神经信号经大脑处理后，最终形成人的感知世界中对明暗、色彩等的感知。
图1 国际照明委员会CIE色坐标图（图片来自网络）
从物理角度来看，如果我们用电磁波模型来描述光的客观存在，那么从广义上讲，所有的电磁波在基本性质和行为模式上没有区别，都可以看作是光。其中，只有波长范围在约400nm~760nm的光才能产生视觉感知。而人们的色彩感知比这个范围内的每一种单一波长光对视觉刺激所产生的色彩感知要丰富得多。从图1的CIE色坐标图可以看出，波长范围在约400nm~760nm的光对视觉刺激只能形成马蹄曲线上的那些色彩感知。马蹄内部还有更丰富的色彩感知，而这些感知可以通过不同频率或波长的光的组合来刺激视觉而获得，而这种组合通常不止一种。 例如波长约为589nm的钠黄光进入眼睛可引起黄色感觉，但波长约为550nm的绿光和波长约为650nm的红光按一定比例同时进入眼睛，也会引起同样的黄色感觉。
再比如“白色”的色彩感知，你可以在CIE坐标系中画出任何一条经过白色位置，并与马蹄线两边相交的直线，在两个交点处将相应波长的光按一定比例混合，即可得到“二原色”的“白光”。也可以在马蹄线的红、绿、蓝区域各取一点，将相应波长的光按一定比例混合，这就是得到“三原色”的“白光”的方法。色彩感知完全一样，但引发它的客观现实——光的频率或波长性质可以完全不同。另外，懂摄影的朋友应该对“白平衡”这个概念很熟悉。一张纸在完全不同的光照条件下，在摄像设备的感光元件上引起的反应完全不同，但人的视觉会默认将纸识别为“白色”。摄像设备必须将从感光元件获得的电信号进行修改，以达到与人眼视觉感知一致的状态。
从以上分析中我们可以看出，“颜色”的视觉感受和光的客观频率或波长并不是一一对应的，某种频率的光进入眼睛会造成一定的颜色感受，但这种视觉感受却并非只由这种频率或波长的光引起。因此，用原本基于视觉感官的“颜色”概念来描述“光”的客观、真实性质初中物理教材科教版，只是因为它更贴近人们的直接体验，才被广泛运用在日常生活乃至科技领域。但严格来说，“光的颜色”并不是一个严谨的概念，使用时应了解其界限。
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声学中的感知与现实
类似于光与色的问题，声学中也有类似的例子。响度、音调、音色其实描述的是人的听觉感受，而振幅、频率、频谱描述的则是客观物体的振动性质。人的听觉与振动振幅的对应关系比光的波长与色觉的对应关系要简单，但并不是简单的成比例。振动振幅的增大，对应的功率密度与振幅的平方成正比，但人的响度感受并不是线性增加的。描述响度感受的声音强度级与描述物理现实——介质振动的功率密度之间存在对数的对应关系。笔者在参与一些科普、科普教育活动和节目的设计时发现，人们往往本能地认为能量增加一倍，声音响度就会增加一倍。这背后的原因，其实就是对客观现实与人的感知的混淆。
听觉的音高和音色也是如此。音高的感知不能简单地说与介质的频率相对应，而是单调地与介质振动的基频相对应。音色的感知则与介质振动的频谱相对应，这类似于不同频率的光的合成产生人对某种颜色的感知。但这种对应关系比光的颜色感知更为复杂，很难找到简单的规律。它仍然是声学研究的前沿之一。我们无法完全用人工频谱合成来还原人的语音，使假的看上去像真的。
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将物理现实与人类感知区分开来
从某种意义上说，物理学与客观世界的关系，是人类感知与客观现实之间的一种“共振”，二者并不是同一个实体。物理学帮助我们认识世界的完整过程是：（1）我们通过感官获得经验；（2）我们在人类意识世界中建构概念和模型，以对应感官经验；（3）我们根据模型定义物理量、总结规律、构建物理理论；（4）我们根据模型、规律和理论，预测和验证客观世界实验可能带来的新的感官经验；（5）我们通过上述过程，不断完善理论，使意识世界的模型和理论尽可能地反映真实的客观现实。
对于初学者来说，从观察、体验进入物理才是正道，因此从感官经验中建立基本的物理概念也是必要的。但是，随着对物理底层逻辑的理解，我们应该意识到客观现实与人的感知之间的区别，同时明确既定的物理概念和物理量所描述的对象是什么，哪些概念和物理量倾向于描述人的感知，哪些概念和物理量更贴近描述物理模型所反映的客观现实的性质。明确了物理现实与人的感知之间的区别后，我们就会意识到，不同语境下的相关概念和物理量所描述的对象其实并不相同，我们还需要进一步理解其中的对应关系，才能真正达到物理简洁、完整、准确地描述世界的目的。而这种概念的澄清本身就是对物理思想认识的深化过程，是物理思想进入课堂的具体方式和手段。
参考
[1]姚启军.光学教程.北京:高等教育出版社,2019
[2]赵开华.新概念物理教程：光学.北京:高等教育出版社，2014
[3]廖宁芳.高等色谱学.北京:北京理工大学出版社,2020