李治林

我們都是行走的波動信號接收器。在這個充滿電磁波和機(jī)械波的世界里，眼睛感知著波長為380～760納米的電磁波——也就是“光”，耳朵感知著頻率為20～20000赫茲的機(jī)械波——即所謂“聲”。我們還是精密的波形信號處理器。那些光影和聲音，經(jīng)過層層處理，映入大腦，使我們形成對這個世界豐富的感知。所謂聰明者，耳聰目明也。然耳目所及，常有所限;視聽之間，有實有虛。就讓我們從科學(xué)的角度，重新審視一下視聽之間的虛實世界吧。

我們?nèi)绾巫R聲辨色

聲波所對應(yīng)的機(jī)械振動，每秒幾千次只是稀松平常。摸著喉嚨或者喇叭，可以感受到它的振動，卻很難分辨出聲音的內(nèi)容。那么，我們是如何聽到聲音的呢？先是耳廓把聲音收集起來，通過外耳道傳到鼓膜上使其振動;振動通過聽小骨等傳遞到內(nèi)耳;螺旋卷曲的耳蝸，由外到內(nèi)不同部位分別對從高頻到低頻的振動敏感，相應(yīng)位置的毛細(xì)胞感知振動并將其轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給聽神經(jīng);信號最終傳遞到大腦，形成聽覺。

以上四個步驟，像是電子信號處理中“集中放大、阻抗匹配、頻譜分析、數(shù)據(jù)整合”的過程。其中最精妙的，還是耳蝸的“頻譜分析”功能。打個比方，在一根晾衣繩上掛一排形狀、材質(zhì)、重量不同的衣服，左右晃動繩子，衣服就會跟著晃。有些衣服是晃得快時跟著動，有些則是晃得慢時跟著動，這就實現(xiàn)了頻率的分辨。耳蝸就是這樣一個精妙的頻率分析器，它各處的敏感頻率隨其局部尺寸和剛度等變化，由外到內(nèi)對應(yīng)高頻和低頻。特定頻率的聲音只被其中一小部分區(qū)域的毛細(xì)胞所感知。

對于光波，則更復(fù)雜。人眼能看到的光，其電磁場每秒周期變化為400～800萬億次，細(xì)胞靠力學(xué)為主的機(jī)械結(jié)構(gòu)是跟不上了，這就需要求助于電子。眼睛不只要看到一束光，還要看到光的空間分布，這就要有一套成像系統(tǒng)。那么，我們是怎樣看到物體的呢？首先是角膜、晶狀體等構(gòu)成透鏡組，將光線折射后成像到視網(wǎng)膜上;那里的感光細(xì)胞中有一些特殊的分子，其中的電子在光的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)移與躍遷，引起一系列生物化學(xué)反應(yīng)，把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)沖動;眼部幾類神經(jīng)細(xì)胞將信息初步整理、層層傳遞;信息最終進(jìn)入大腦的視覺中樞，形成更細(xì)致且綜合的感知。

這便是“光學(xué)成像、生化感光、初步合成、綜合加工”的過程。其中“生化感光”最為關(guān)鍵。感光細(xì)胞包含細(xì)長的視桿細(xì)胞和尖尖的視錐細(xì)胞。前者可以感受極弱的光，但無法分辨色彩。后者對弱光的敏感程度不及前者，但具有色彩分辨的能力。所謂色彩，從本質(zhì)上講，就是物理客觀上的光的頻率在人腦中的主觀感受。不過感光可不像探聲那么容易。我們可以在耳蝸中輕松放置一排排密密麻麻的毛細(xì)胞負(fù)責(zé)不同頻率的聲音的探測，卻很難在眼睛里放置三棱鏡或光譜儀并配上一排排感光細(xì)胞，還恰好每個都對相應(yīng)頻率的光敏感。然而如果只有一種感光細(xì)胞，那眼里的世界就只有明暗而毫無色彩了。人類做了一些妥協(xié)，但還是比較幸運(yùn)地?fù)碛?種視錐細(xì)胞，分別負(fù)責(zé)長、中、短波長的光的探測，敏感區(qū)域大約在紅、綠、藍(lán)波段附近。這樣就把看到的色彩表達(dá)為3種視錐細(xì)胞響應(yīng)的組合了。

物理、生理上的視聽缺陷

實際上，人體感知到的信息與真實的世界相比總是存在偏差的。引起偏差的因素體現(xiàn)在物理、生理、心理等多個層面上。

物理層面上，聽覺方面，比如耳廓和耳道等聲音的傳播通道，它們本身對不同頻率聲波的通過效率是有差別的。耳道的長度已經(jīng)天然地對3000赫茲附近的頻率有了特殊照顧。舉例來說，你用紙張卷成圓筒套在耳朵上聽聲音，圓筒長短改變，聽到的聲音也有所不同。視覺方面，比如各種頻率的光透過角膜和晶狀體等折射時，其折射率隨頻率增加而增大，這會導(dǎo)致它們聚焦到視網(wǎng)膜附近時，前后位置有輕微差別，因而看起來會有一種紅色更近、藍(lán)色更遠(yuǎn)的錯覺。再比如，由于光具有波動性，通過有限尺寸的瞳孔時會發(fā)生衍射，這是限制人眼分辨率的因素之一。

生理層面上，聽覺方面，鼓膜的共振、耳蝸的尺寸質(zhì)地、毛細(xì)胞的衰退老化等，都直接影響其對聲音的頻率響應(yīng)范圍，而這些是與人的個體特征有關(guān)的，比如年齡、性別、體質(zhì)等。視覺方面，血管層和神經(jīng)層處在視網(wǎng)膜感光層前方，必然會擋住一部分光，造成一些網(wǎng)狀的陰影。再如，感光細(xì)胞的尺寸會限制人眼的分辨率，其種類數(shù)量、可響應(yīng)的頻率范圍，直接影響我們對色彩的感知。同樣的世界，在不同人眼里有細(xì)微的差別。在具有色盲特征的人群眼里，由于其中一種或多種感光細(xì)胞異常甚至缺失，更是與他人所見相差巨大。即使同一個人看同一個物品，也會隨著年齡、環(huán)境、觀看過程和時長，甚至生活經(jīng)驗的不同而有所差別。

小的偏差，如星芒。我們都知道星星一閃一閃，是由于大氣層折射率不均勻?qū)е碌摹？墒羌词剐切遣弧罢Ｑ邸保策€是會有隱約可見的邊角出現(xiàn)，即所謂的“星芒”。很多繪畫作品里都對此有所表現(xiàn)，星芒的形狀也各有不同。其實它與眼球的不均勻性、非對稱性，以及瞳孔邊緣的不規(guī)則性、衍射效應(yīng)等有關(guān)。

嚴(yán)重偏差，如盲點。由于神經(jīng)層處在感光層前面，要匯聚信息傳遞到后方的大腦，就必然穿過視網(wǎng)膜。這個匯聚點上完全沒有感光細(xì)胞，形成了一個“窟窿”，就是視覺盲點。盲點靠近眼睛偏鼻子這側(cè)，所以如果我們閉上左眼，用右眼觀察正前方時，右前方就會有一個區(qū)域成像到盲點上，完全不被感知。

神經(jīng)系統(tǒng)開小差帶來的離奇錯覺

在心理層面上，以神經(jīng)系統(tǒng)為主導(dǎo)產(chǎn)生的錯覺，就更加復(fù)雜和離奇了。常見的，比如盯著一幅色彩較淡、輪廓模糊的畫面一段時間，你會發(fā)現(xiàn)它逐漸消失了！還有盯一會兒紅色物體后，再觀察白色的墻壁，你會發(fā)現(xiàn)上面有綠色的幻影，這是視覺的負(fù)后像效應(yīng)。再如，完全相同的兩個物體，放在不同的背景中，其明暗和色彩看起來會有很大差異。離奇的呢，比如“無中生有”：盲點那里本來啥也看不到，可為什么我們卻沒覺得那里有個窟窿呢？其實這部分區(qū)域里的圖像就是被我們“腦補(bǔ)”出來的。兩段矩形條間的縫隙落在盲點上時，竟然會被“腦補(bǔ)”出一段區(qū)域，把它倆連接起來。甚至還有“靜中見動”：由于人眼對不同色彩對比度的區(qū)域的視覺響應(yīng)時間有差異，加上眼球的微跳和大腦的補(bǔ)償，就會對靜態(tài)的畫面產(chǎn)生出動態(tài)的錯覺。上面這些看似都是缺陷，但在實際生活場景中卻是極為有用的特征，可以幫助我們忽略不太重要的背景信息，將注意力集中到對比度高、有邊有棱、動態(tài)變化、更有價值的信息上去，從而更好地適應(yīng)環(huán)境。

關(guān)于聽覺的錯覺，同樣離奇。有位音頻創(chuàng)作者錄制了“Laurel”的發(fā)音，卻有很多人聽完后跟讀的是“Yanny”。這一方面是由于不同的人對高低頻段的敏感性不同，比如對低頻段敏感的人聽起來就像是“Laurel”，對高頻段敏感的人聽起來就像是“Yanny”。另一方面，這也跟大腦的識別過程有關(guān)，在對基頻、諧波、共振峰等進(jìn)行判定時，會有多個結(jié)果。另外，在學(xué)習(xí)語言過程中或許你會注意到，在耳朵接收信號無差別的情況下，人們對自己所熟悉的語言更容易分辨出聲音的細(xì)節(jié)，而對不熟悉的語言分辨能力就差一些，這也受到神經(jīng)系統(tǒng)訓(xùn)練的影響。

甚至還存在各種感官相互干擾產(chǎn)生的錯覺。感冒鼻塞時，吃東西都不香了;聞著可樂喝著雪碧，猜猜這是什么味道？飯店里偏紅橙色的燈光照射著的小龍蝦，似乎更鮮、更誘人。視覺和聽覺也不例外。摘了眼鏡看電視，沒了演員的口型參考，似乎臺詞聽起來都變得模糊了。心理學(xué)上的“麥格克效應(yīng)”描述了這類現(xiàn)象：視覺信息與聽覺信息相互作用，造成對語音感知的干擾。

什么是真實的世界呢？世界本身和我們的感知之間是怎樣的關(guān)系？一方面，感官把外界的信號傳遞到大腦中被我們感知;另一方面，大腦的神經(jīng)活動和自身經(jīng)驗，也會反過來影響我們對信息的分辨和加工，有時甚至與真實世界產(chǎn)生較大偏差。視聽系統(tǒng)并不只是像攝像頭、麥克風(fēng)那樣的單向信息傳遞系統(tǒng)，而是具有豐富的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和大量的閉環(huán)反饋。所謂“真實性”只是相對的，生物更關(guān)心的其實是“合理性”和“適應(yīng)性”。借助現(xiàn)代科學(xué)儀器，我們可以從物理上更好地搜集聲音和光線，覆蓋更寬的頻域和強(qiáng)度，更廣泛而精確、理性而定量地認(rèn)識客觀世界。然而，這輔助雖然強(qiáng)大，卻無法完全替代人類自身進(jìn)化了千秋萬代的、即使有些缺陷卻依然精妙無比的感官。

（責(zé)任編輯/徐沐妍 美術(shù)編輯/周游）

延伸閱讀

動物的感官世界

在生物演化過程中，動物們的感官也會各有側(cè)重。個頭大的如鯨、象，對低頻的聲音更敏感。長期生活在深海或洞穴中的動物，常出現(xiàn)視覺退化的現(xiàn)象。在一些具有四色視覺的鳥類眼里，世界或許更加豐富多彩。蜜蜂等昆蟲，可以看到紫外線，它眼里的花朵就有別樣的光彩。在某些蝦蛄科的動物如螳螂蝦眼里，可以有多達(dá)十幾種色覺感受器，甚至還能感知光的偏振性。不過很多哺乳動物都屬于不同程度的“色盲”，更有眾多動物只能感知光的明暗，卻毫無色彩，甚至連形狀都無法感知——它們的世界真的是太單調(diào)了。