类似光与颜色的问题在声学中也有类似的例子。响度、音调、音色其实是描述人的听觉感知,而幅度、频率和频谱则是描述客观物体的振动性质。人的听觉与振动幅度之间的对应关系比光的波长与颜色感知的对应关系要简单,但也不是简单正比。随着振动幅度的增加,相应的功率密度正比于振幅的平方,人的响度感知却不随之线性增长,描述响度感知的声强级和描述物理实在——介质振动的功率密度之间呈对数对应关系。笔者在参与一些科普和科教活动、节目的设计时,就发现人们常常本能地以为能量加倍感受到的声音响度就会大一倍,这背后的原因其实就是混淆了客观实在性质和人的感知。
听觉的音调、音色同样如此,音调感知亦不能简单说成和介质的频率一一对应,而是和介质振动的基频单调对应。音色感知则和介质振动的频谱对应,这一点和不同频率光合成产生人的某种颜色感知类似,然而这个对应关系比光的色彩感知更为复杂,难以找到简单的规律,至今仍是声学研究的前沿之一,我们用人工频谱合成的方式来还原人类的语音还不能完全做到以假乱真。04
厘清物理实在与人的感知
物理学与客观世界的关系某种意义上是人的感知与客观实在的某种“谐振”,两者并不是同一个主体。物理学帮助我们理解世界的完整过程是:(1)我们通过感官获取经验;(2)在人的意识世界中构建概念和模型与感官经验形成对应;(3)在模型的基础上定义物理量,总结规律和构建物理理论;(4)根据模型、规律、理论预测客观世界中的实验可能带来的新感官经验并验证;(5)通过以上过程重复不断地完善理论,让意识世界的模型和理论尽可能地逼近反映真实的客观实在。
对初学者而言,从观察和体验走进物理是一条正确的道路,因此从感官经验开始建立基本的物理概念也是必要的过程。但随着对物理学底层逻辑的理解,应意识到客观实在和人的感知之间的区别,同时厘清建立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感受,哪些概念和物理量则更接近描述物理模型反映的客观实在的性质。在厘清物理实在和人的感知的区别之后,便会意识到不同语境下相关概念和物理量描述的对象其实并不相同。还需要进一步理解其中的对应关系,才能真正实现物理学简洁、完备、精确地描述世界的目的。而这种概念的厘清,本身也是加深对物理思想理解的过程,是物理思想进课堂的一种具体的方式和途径。
参考文献
[1] 姚启钧. 光学教程. 北京:高等教育出版社,2019
[2] 赵凯华 . 新概念物理学教程:光学 . 北京:高等教育出版社,2014
[3] 廖宁放. 高等色度学. 北京:北京理工大学出版社,2020