观察对于物理学来说是必不可少的，但我们究竟能看到多少呢？从单纯用人类的肉眼观看，到借助望远镜、显微镜等仪器来扩展人类的视野，观察的极限究竟在哪里？
人类的眼睛是奇妙的事物。大多数没有视力问题的人能看到的遥远事物，远远超出我们的行走范围。在万里无云的夏日，即便是远在1.49亿公里之外的太阳，也能清晰可见；当我们在夜晚仰望星空，视线会穿越数光年的距离。剑桥大学的理论物理教授Ben Allanach说：“如果想要观看一颗在数光年之外的恒星，只要它足够明亮，我们就能够看到。”
看见星辰
然而，我们眼睛的所见却是有限的。其中一个限制是角分辨率。眼睛能看到物体自身发出的或反射回的光线，这些光线穿过瞳孔、透过晶状体而聚焦在视网膜上。瞳孔的大小类似于相机的光圈，决定了眼睛能够分辨两个物体的能力，这取决于来自物体的光线之间的夹角。
光由波组成，就像水流经过狭窄的桥之后，会散播开来，光穿过狭缝后，也会传播开来，也就是所谓的光的衍射。这会导致光波彼此干涉，产生衍射图样，正如著名的双缝实验所证明的那样。当光这样传播时会产生一个艾里斑（airy disc），也就是光线穿过圆孔后聚集程度的极限。
○ 不同角间距的艾里斑。
只有当两个不同光源的艾里斑不重叠时，才可以分辨。这个极限角分辨率用光线进入眼睛时的夹角θ表示，它取决于孔的大小d，以及光的波长λ：
人类眼睛的角分辨率约为1角分（0.02度或0.0003弧度），这使得我们能够分辨出1公里处相距30厘米的物体。“我们看到的一颗恒星，实际上有可能是两颗角距分开非常小的恒星。然而我们的眼睛并不能分辨它们的不同，它们看起来都只不过是一颗恒星。”Allanach说道。
飞越彩虹
对人类视觉的另一个限制，是眼睛能够看见的光的频率范围。光是一种电磁波，其传播速度约为每秒3x10⁸米。光波可以有不同的频率与对应的波长，之所以眼睛能看见不同的颜色，正是源于不同的光波具有特定的频率与波长范围——从波长为620~750纳米的红光（频率为400~484太赫兹）到波长为280~450纳米的紫光（频率为668~789太赫兹）。
○ 从紫色（左）到红色（右）的可见光谱。
我们所能看到的光跨越了彩虹的颜色，然而超出可见光谱的光波遍布在我们周围的空气中。与人类眼睛结构不同的眼睛可以看到紫外线或红外线。例如虽然人类眼睛无法看见紫外线，但是昆虫可以。蜜蜂不仅拥有由数千个小眼组成的复眼，还拥有额外的接收紫外线的感光细胞。
挪威人Neil Harbisson提供了一个色彩感知的有趣例子。Harbisson是全色盲，这种情况非常罕见，他看到的是一个全然黑白的世界。然而，Harbisson已经利用电子器械增强了自己的身体功能，他在自己的头上植入了一个摄像头，将捕捉到的颜色转换成声音，并称自己是一个赛博格（cyborg，电子人）。
○ Neil Harbisson. 图片来源：Dan Wilton/The Red Bulletin
声音通过骨头传到他的耳朵，最终，他听到了颜色。当电话铃声响起时，它听起来是紫色的。Harbisson对颜色的体验转换了一种感官，从视觉转化为听觉，被称为联觉（synesthesia）。不仅如此，Harbisson的视觉实际得到了增强，他甚至能够听到红外线。很显然，他可以察觉在他附近使用老式遥控器的人。
超越人类极限
这听起来有些极端，但长久以来，我们一直致力于增强我们的身体和感官。从助听器，到眼镜和隐形眼镜，再进步到人工耳蜗植入技术，人类一直在寻找克服生理缺陷的方法。科学上说来，自17世纪起，我们就已经开始扩展自己的观测能力了。古希腊人会使用放大镜，17世纪显微镜的发展让我们对生物学有了新的见解。伽利略制造了最早的望远镜之一，并在1610年发现了围绕木星运行的卫星。当使用的透镜更大时，角分辨率会随之增大，天文学家因而可以看到更小的物体和相距很近的恒星。
显微镜和望远镜都使用透镜来放大需要被观测的物体。但当放大到一定水平时，比如当我们要观测一个分子时，就没有任何光学显微镜能帮助我们做到这一点。所以我们还必须借助其他设备，比如电子显微镜和扫描探针显微镜。
现在，在数学和科技的帮助下，我们可以看到更多，甚至能够以我们自身为观测对象。例如磁共振成像（MRI），它的工作原理就是让水分子中的磁场发生振荡，再检测由此产生的电磁场扰动。MRI仪会利用计算机程序来实现数学技术，进而重建图像，让我们看到身体内的水究竟在哪里。MRI仪不会像眼镜或显微镜那样放大人类感官，而是用它感知的信息为我们重建图像。这不同于一般意义上视觉的看见。
但这真的与我们人类正常经验的视觉体验有那么不同吗？对此，Allanach解释说：“当我们进行观看时，没有任何东西能不经过视觉处理就抵达我们的大脑中心。在你意识到之前，在你的CPU——大脑中央的计算机——得到信息之前，处理就已经开始进行了。因此，本质上，通过制造的仪器对事物进行观察与通过自己的双眼观察，并没有大的不同。”
译：Jin
校对：二宗主
原文链接：
https://plus.maths.org/content/what-can-we-see
发表于 2018-7-18 05:05
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