12.18 眼見非“實”:科學家的抽屜裡的那些奇怪圖像

眼見非“實”:科學家的抽屜裡的那些奇怪圖像

人體80%以上的外界信息經由視覺獲得。通過眼睛,我們可以看到大小、形狀、明暗、顏色、動靜。絕大多數時候,眼睛是我們的忠實夥伴,但是有時候也會“開小差”。

“不同”的圓

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相同大小的黃色圓,左邊的卻看起來更小

在上圖中,乍一眼看過去,我們似乎覺得左邊的黃色圓圈要比右邊的黃色圓圈小,而實際上,二者是同樣大小的。這是一種叫做艾賓浩斯錯覺(Ebbinghaus illusion)現象。由德國心理學家赫爾曼·艾賓浩斯首先發現。

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赫爾曼·艾賓浩斯

此外,艾賓浩斯不僅在錯覺方面有著卓越的研究,還在記憶方面有著突出的成果。比如艾賓浩斯遺忘曲線,如雷貫耳!該曲線描述地是人記憶新知識時的遺忘規律。

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艾賓浩斯遺忘曲線

人們可根據這條遺忘規律曲線,在適當時刻強化記憶,就可以高效地進行學習!

“更長”的線段

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同樣長的線段,下方的卻看起來更長

如果說艾賓浩斯錯覺是對大小的誤判,而人們對長度也可以存在類似的誤判。歷史上,這種線段長度上的錯覺叫做繆勒萊耶錯覺(Müller-Lyer illusion。該現象由德國心理學家、社會學家弗蘭西斯·卡爾·繆勒萊耶提出。

在20世紀之交時,英國神經學家威廉·哈爾斯·裡弗斯(William Halse Rivers)發現,生活在澳大利亞的穆雷島的土著人,對該現象的感知似乎並不明顯。

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威廉·哈爾斯·裡弗斯

裡弗斯認為可能是因為相較於原住民,歐洲人生活在更多充滿直線的空間環境裡。

為什麼造成這種錯覺呢?理查德·格雷戈裡等科學家認為,可能與人感知空間角度有關。

比如,我們在房間裡,看見的是眼前一幕:

牆角寬度和桌子寬度長度,在我們現在這個平面上是相等的(即紅色線段相等),但是3維視覺告訴我們,牆角寬度要明顯長於桌子寬度。這是由於3維角度視覺上的差異所導致的。

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房間一幕:3維空間上的視覺差異

而往往與這種3維視覺顯著相關的特性中,向外展開的線條(即紅線段左右打開的部分)往往提示縱深較遠(與我們的眼睛距離較遠),而向內的線條則提示縱深較淺。

所以,當兩根相近的線段進行對比時,3維視覺上的特性會傾向告訴我們,那根遠處的線段要更長!

當然,除了這種解釋,還有另外一種空間視覺上的解釋:明亮度差別導致了長度上的錯覺。比如下圖中,藍色線段和黑色線段長度是不變且相等的。當“小翅膀”向圓心靠攏,導致中間密度增強,導致信號量增強,而間隔部信號減弱,於是,人眼就認為這些線段在“變長”。

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明亮度差別導致了長度上的錯覺

彎曲的“平行線”

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平行的直線,卻在中間部看起來在彎曲

上方圖像中,是不是看起來兩條藍色直線在中間部是彎曲的?實際上,這兩條直線是平行的。這種現象叫做黑林錯覺(Hering illusion)。

其由德國生理學家和心理學家愛德華.黑林於1861年提出的一種方向錯覺。

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愛德華.黑林

該圖像的製作很簡單,只需要在兩條平行的直線間,用很多密集相交的直線進行分割即可。給人的視覺上的效果就是這兩條平行線會向外彎曲,而且中間越密集的部分,彎曲的程度越明顯。

為什麼會這樣呢?黑林認為這是因為人眼對角度的過分誇大效應。簡單來講,就是在相交越密集的部分,視覺角度改變越顯著,進而給大腦錯覺,認為該處的直線部分與其它部分存在角度,造成了“不平行”的錯覺。

當然,也有人認為這也是由於側抑制引起的視覺錯覺。而關於什麼是側抑制,文章後部分詳細介紹。

“錯位的”直線

如果一條直線以某個角度消失於一個實體表面後,隨即又出現於該實體的另一側,看上去會有些“錯位”。

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一條“筆直的”直線卻被看成錯位

波根多夫錯覺(Poggendorf illusion)也是一種視錯覺。這與視神經細胞在感受光線刺激時,受到了旁邊細胞的影響,而很難直接與本是同一條直線的部分進行聯繫,於是出現了“斷層”。

“不平行的”平行線

佐爾拉錯覺(Zollner illusion)則指的是一些平行線由於一些附加線段的影響而看成不平行的現象。

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明明平行的直線,卻看起來不平行

這也被認為與側抑制等相關。而關於側抑制,文章後面內容會細講。

“像螺旋的”圓圈

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明明是圓,看起來卻像螺旋

Fraser螺旋錯覺指的是黑白混合一圈圈的弧看起來是一個螺旋,其實它們是由一組同心圓構成。該現象由英國心理學家詹姆斯·費雷澤(Sir James Fraser)發現。它的原理和上述的佐爾拉錯覺是類似的。也和視網膜上視覺細胞電信號上的側抑制相關。

“運動的”錯覺

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靜止的圖像看起來卻像在在滾動

上圖中,從遠處不仔細看,我們會發現它是靜止的。當我們走進,用眼睛盯住它的一部分,就隱約感覺到周圍的部分在動,但是,定睛一看又發現它是靜止的。總的看來,感覺像是在滾動。

同理也可見於下圖,只不過它是如海浪一般“波動”的!

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它在“波動??

細胞信號側抑制可能是最深層的原因

為了方便理解,我們現在做這樣一個測試:

我們將眼睛注視下面這張圖,不用死死地盯住某一部分,整體的看過去,然後我們就會隱約看見在白條和白條重疊的“十字路口”處,似乎有一些黑點在閃動,但是當我們定睛盯住那個閃動的位置,又會發現那只是白色區域。

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如果不是特別明顯的話,下面這種圖就更明顯,白色的圓圈裡似乎有黑點在閃動。

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上述現象,其實叫做赫爾曼現象。和之前舉例的錯覺現象很多都有一個類似的最基礎的原理:細胞電信號側抑制。

就像人和人通過說話、肢體語言等相互間溝通交流,細胞和細胞之間的溝通最重要的交流方式就是細胞膜的電信號。細胞電信號的傳導,有賴於細胞的動作電位的產生,而動作電位的產生有賴於細胞內外分佈不均的鈉離子和鉀離子。

細胞藉助自身的能源物質(比如三磷酸腺苷,簡稱ATP),將細胞內的鈉離子通過離子通道運輸到細胞外,同時將外側的鉀離子帶入進細胞內。如此運轉一段時間,就可以在細胞內外形成離子濃度差

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鈉鉀離子轉運構成離子濃度差是細胞產生電信號的基礎

巨大的離子濃度差,就好比發電大壩上方的水流到低處所具有的巨大勢能。當細胞膜受到擾動,細胞膜外的鈉離子就可以通過特定的離子通道快速浸入細胞內。而離子的運動,就形成了電流。於是,一股電流就在細胞膜上擴散開來。

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細胞膜電信號的產生及傳導

細胞就是以這種特定的電流信號來編碼信息,相互間溝通交流。比如,當我們的眼睛看外界事物時,光在透過角膜、晶狀體,會聚,最終照射在視網膜上。視網膜上的細胞,立刻感知到這種變化,引起細胞表面的鈉離子內流,產生電信號。該信號最終會通過視神經傳輸出去,給大腦進行分析。

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視覺系統

但是,視網膜上的細胞進行排列時,是一個挨著一個的,但是細胞們又共用一個細胞外液。

當有的細胞在產生動作電位時,它勢必會消耗掉數量客觀的鈉離子。而與它鄰近的細胞,則沒有足夠的鈉離子可以用,於是產生的電信號不得不受影響

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視網膜上細胞相鄰排列,是側抑制的基礎

而所謂側抑制,指的就是鄰近細胞間的相互抑制。簡單概括就是,當細胞某個部位產生了大電信號反應,它臨近的部位就會因此而被抑制。

如此就可以解釋赫爾曼現象了:

在白條與白條交界的部位,四邊都亮白色的,但是白條其它的部分都只有兩邊是亮白色的。強烈的四邊亮白色信號,消耗了足夠的鈉離子,使得白條與白條交界部位出現信號抑制,於是就看到了暗黑色。

但是,因為這種抑制是暫時性的,在我們集中注意力,調集其它視網膜細胞去感知這部分時,這是一切又恢復正常。

而此前所列舉的種種現象,就是在這種基礎上,結合大腦對相關細胞的習慣性解釋,於是就產生了各種各樣的錯覺。

總結

無論是艾賓浩斯錯覺“大小不等的”圓圈,還是繆勒萊耶“長度不等的”線段,抑或佐爾拉的“不平行的”直線,事實再次告訴我們,“親眼所見”可不一定可靠。

但是,人類最厲害的地方,在於我們強大發達的前額葉。這裡儲存著我們的邏輯思考,這裡有著我們對世界的精密計算。它能幫助我們克服種種矛盾,得到一個“真實”的解釋。

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