重力作為地球上恒定的物理量之一,已經(jīng)深深烙印在人類進(jìn)化與認(rèn)知的底層邏輯中。它塑造了我們對(duì)世界的基礎(chǔ)理解,形成了許多不言自明的固有認(rèn)知。閉眼時(shí),我們會(huì)默認(rèn)松手后手中的東西垂直向下運(yùn)動(dòng);在陌生環(huán)境中,我們會(huì)默認(rèn)頭部的朝向?yàn)樯?,腳部朝向?yàn)橄拢坏顾畷r(shí),我們會(huì)預(yù)期水流呈拋物線下落,而非直線或隨機(jī)擴(kuò)散……這些固有認(rèn)知共同構(gòu)成了人類對(duì)世界的基礎(chǔ)操作框架。
當(dāng)?shù)厍蛉诉~向太空,長期駐留于失重或微重力環(huán)境時(shí),我們的大腦是否將地球重力預(yù)設(shè)為運(yùn)動(dòng)感知的隱形標(biāo)尺呢?這種根植于進(jìn)化中的固有認(rèn)知又如何影響對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)信息的判斷呢?
手中東西自由下落
(圖片來源:作者使用AI生成)
2025年7月,中國科學(xué)院心理研究所蔣毅研究組的一項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),首次揭開了這一謎題:通過將自然重力加速度線索融入經(jīng)典的“運(yùn)動(dòng)感知任務(wù)”,揭示了視覺系統(tǒng)竟能自動(dòng)捕捉局部運(yùn)動(dòng)中的重力暗示,像拼圖般快速整合出全局方向——這一機(jī)制,或許正是人類在地球上一眼看穿物體下落軌跡的秘密。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):基于心理物理法的運(yùn)動(dòng)感知測(cè)量
心理物理法是心理學(xué)與感知科學(xué)中用于量化主觀感知與客觀物理刺激之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法,其核心目標(biāo)是通過測(cè)量個(gè)體對(duì)物理刺激的感知閾值或辨別能力,揭示感知系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)制。在本研究中,研究者利用心理物理法設(shè)計(jì)5個(gè)實(shí)驗(yàn),高效測(cè)量參與者對(duì)連貫運(yùn)動(dòng)方向的感知閾值。
在實(shí)驗(yàn)1-4中,參與者想象自己坐在一條隧道的一端,離他們很遠(yuǎn)處的隧道另一端有一個(gè)透視繪圖背景屏幕的方形區(qū)域,兩個(gè)人物站在方形區(qū)域的兩側(cè),為參與者預(yù)估屏幕上物質(zhì)的實(shí)際大小提供參考。實(shí)驗(yàn)前,參與者被告知隧道的高度為3米,靠近隧道的兩個(gè)身影的高度為1.8米,這些信息幫助參與者感知到刺激物是在遠(yuǎn)處以重力加速度呈現(xiàn)的移動(dòng)狀態(tài)。
運(yùn)動(dòng)刺激和背景的示意圖
(圖片來源:參考文獻(xiàn)[2])
在方形區(qū)域內(nèi)部,包含400個(gè)移動(dòng)的點(diǎn),分別為信號(hào)點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。信號(hào)點(diǎn)均沿同一垂直方向進(jìn)行向上或向下的加速或者減速移動(dòng)。其中,加速向下和減速向上的運(yùn)動(dòng)為符合自然重力運(yùn)動(dòng)的規(guī)律(1g條件),而加速向上運(yùn)動(dòng)和減速向下運(yùn)動(dòng)則與自然重力運(yùn)動(dòng)相反(?1g條件),稱為反轉(zhuǎn)重力方向。噪聲點(diǎn)除了垂直向上和向下移動(dòng)外,以隨機(jī)的方向移動(dòng)。對(duì)應(yīng)到上圖中,光點(diǎn)就代表信號(hào)點(diǎn),這些點(diǎn)在虛擬場(chǎng)景坐標(biāo)系中以相同的初始速度從正方形的上部開始以1g的加速度向下運(yùn)動(dòng)??招狞c(diǎn)代表噪聲點(diǎn),除了移動(dòng)方向隨機(jī)之外,運(yùn)動(dòng)參數(shù)與信號(hào)點(diǎn)相同。在實(shí)驗(yàn)1中,為了檢驗(yàn)在恒定速度噪聲點(diǎn)中,重力方向是否促進(jìn)連貫運(yùn)動(dòng)感知。研究者設(shè)計(jì)刺激區(qū)域?yàn)?度乘以8度的視覺角度,讓信號(hào)點(diǎn)以自然重力或反轉(zhuǎn)重力加速運(yùn)動(dòng),方向?yàn)橄蛏匣蛳蛳隆T肼朁c(diǎn)以恒定速度,進(jìn)行非垂直方向的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)2中,為了檢驗(yàn)當(dāng)噪聲點(diǎn)與信號(hào)點(diǎn)具有相同加速度時(shí),重力方向是否仍促進(jìn)感知,讓噪聲點(diǎn)以與信號(hào)點(diǎn)相同大小的加速度隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)3中,為了檢驗(yàn)在動(dòng)態(tài)變化的刺激條件下,重力方向的影響是否穩(wěn)定,讓每個(gè)點(diǎn)的壽命隨機(jī),消失后重新出現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)4中,為了檢驗(yàn)在更大刺激區(qū)域和更高速度下,重力方向的影響是否仍存在,將信號(hào)點(diǎn)與噪聲點(diǎn)擴(kuò)大到900個(gè),刺激區(qū)域擴(kuò)大為15度乘以15度的視覺角度,平均速度提高至上述實(shí)驗(yàn)的2.3倍。
每次實(shí)驗(yàn)開始時(shí),方形屏幕中心會(huì)先出現(xiàn)一個(gè)固定十字,持續(xù)500毫秒,然后是移動(dòng)的點(diǎn)顯示1000毫秒,之后是100毫秒的空白間隔。之后會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)“?”符號(hào),參與者需要通過按下相應(yīng)的按鍵來判斷這些一致運(yùn)動(dòng)的方向是向上還是向下。
實(shí)驗(yàn)示意圖。Fixaton 500 ms:固定十字,持續(xù)500毫秒;Moving dots 1000 ms:移動(dòng)的點(diǎn),顯示1000毫秒;Blank interval 100 ms:空白間隔,100毫秒;Coherent direction judgment until response:在響應(yīng)前進(jìn)行一致性方向判斷。
(圖片來源:參考文獻(xiàn)[2])
為了檢驗(yàn)在接近真實(shí)世界的顯示條件下,重力方向的影響是否仍存在,讓參與者坐在距離1.9米高的投影屏幕7米外的距離處,將運(yùn)動(dòng)刺激畫面直接投射到屏幕上,沒有帶有透視效果的背景圖。
實(shí)驗(yàn)5的示意圖
(圖片來源:參考文獻(xiàn)[2])
最終,通過QUEST方法對(duì)每位參與者測(cè)量相干運(yùn)動(dòng)感知閾值。QUEST方法是一種貝葉斯自適應(yīng)心理測(cè)量程序,在每個(gè)條件的第一次實(shí)驗(yàn)中,初始一致性水平設(shè)置為80%。然后,根據(jù)QUEST程序計(jì)算出的閾值分布,根據(jù)參與者的反應(yīng)對(duì)每次試驗(yàn)的一致性水平進(jìn)行調(diào)整。信號(hào)點(diǎn)的最小和最大百分比被限制在1%至80%之間。在40次實(shí)驗(yàn)后,以75%的準(zhǔn)確率估計(jì)出每種條件下參與者最終的感知閾值。這種高效精準(zhǔn)的測(cè)量手段為后續(xù)發(fā)現(xiàn)奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。
研究發(fā)現(xiàn):視覺系統(tǒng)中的重力優(yōu)先效應(yīng)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖顯示,點(diǎn)線圖呈現(xiàn)了個(gè)體數(shù)據(jù)與組均值的分布, 每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)參與者在自然重力(1g)或反轉(zhuǎn)重力(-1g)條件下的運(yùn)動(dòng)相干閾值數(shù)據(jù)。三角形符號(hào)表示組均值,與柱狀圖中的柱子頂部對(duì)齊。連線用于連接同一實(shí)驗(yàn)中自然重力(1g)或反轉(zhuǎn)重力(-1g)條件的值,直觀顯示重力方向?qū)﹂撝档挠绊?。柱狀圖展示每種情況下的平均運(yùn)動(dòng)相干閾值,揭示重力方向?qū)Ω兄芰Φ牧炕绊?。閾值越低,代表參與者的感知能力越強(qiáng),對(duì)全局運(yùn)動(dòng)的感知更敏感。
不同實(shí)驗(yàn)條件下自然與反轉(zhuǎn)重力條件對(duì)一致性運(yùn)動(dòng)感知閾值的影響。圖A-E:實(shí)驗(yàn)1-5;size:視覺區(qū)域;noise:噪聲點(diǎn)以恒定速度或變速運(yùn)動(dòng);p值代表統(tǒng)計(jì)可靠性。
(圖片來源:參考文獻(xiàn)[2])
如圖A所示,在恒定速度噪聲背景下,參與者對(duì)自然重力方向(1g)的感知閾值明顯低于反轉(zhuǎn)重力方向(-1g),自然重力方向更易被參與者整合為連貫運(yùn)動(dòng),而且“往下掉”的東西比“往上飄”的更容易被參與者注意到。
此外,為了排除干擾,把噪聲點(diǎn)改成了和信號(hào)點(diǎn)一樣有加速度的運(yùn)動(dòng),結(jié)果自然重力的優(yōu)勢(shì)依然存在,說明這個(gè)效果不是靠有沒有加速度區(qū)分的,而是真的和重力方向有關(guān)。
同時(shí),為了讓畫面更動(dòng)態(tài),研究者把畫面里的點(diǎn)設(shè)計(jì)成壽命隨機(jī),即有的點(diǎn)很快消失,有的點(diǎn)存在時(shí)間更久。結(jié)果自然重力的優(yōu)勢(shì)還是沒變,說明這個(gè)效果夠穩(wěn)定,不怕刺激變復(fù)雜。
研究者繼續(xù)擴(kuò)大刺激參數(shù)下的重力方向感知,將畫面區(qū)域擴(kuò)大,點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度加快來模擬更復(fù)雜的場(chǎng)景。結(jié)果自然重力依然更易被參與者識(shí)別,但這次“往上飄”和“往下掉”的差異消失了。
最后,研究者直接用投影儀把畫面投到大屏幕上來模擬真實(shí)的看遠(yuǎn)處隧道的場(chǎng)景,結(jié)果自然重力的優(yōu)勢(shì)依然存在,說明此效應(yīng)在真實(shí)場(chǎng)景中仍然保持穩(wěn)定。
總的來說,無論背景噪聲是否包含加速度、點(diǎn)的存在時(shí)間持久或短暫、刺激場(chǎng)景在虛擬或真實(shí)世界中呈現(xiàn),人們始終更易整合并辨別符合自然重力作用的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。
大腦的重力先驗(yàn)?zāi)P腿绾斡绊懍F(xiàn)實(shí)科技?
人類視覺系統(tǒng)通過內(nèi)在的重力先驗(yàn)?zāi)P?,自?dòng)整合局部運(yùn)動(dòng)信號(hào)中的重力方向線索,從而優(yōu)化對(duì)全局連貫運(yùn)動(dòng)的感知。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅解開了認(rèn)知科學(xué)的謎題,更可能為多個(gè)領(lǐng)域帶來顛覆性應(yīng)用。
虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)設(shè)計(jì):在VR游戲中,若物體運(yùn)動(dòng)不符合重力邏輯,用戶容易頭暈或出戲。VR開發(fā)者可以通過模擬自然重力方向的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)游戲,讓虛擬物體的拋擲、墜落更貼近現(xiàn)實(shí)以提升用戶沉浸感。
VR游戲
(圖片來源:作者使用AI生成)
航天航空:在微重力環(huán)境中,為航天員訓(xùn)練設(shè)計(jì)反重力模擬場(chǎng)景,幫助他們?cè)谖⒅亓Νh(huán)境下提前適應(yīng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,幫助宇航員維持空間感知能力。
航天航空
(圖片來源:作者使用AI生成)
汽車自動(dòng)駕駛:自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要快速識(shí)別行人、拋擲物等動(dòng)態(tài)目標(biāo)。未來,車載視覺系統(tǒng)可以集成重力感知模型,對(duì)符合自然重力的運(yùn)動(dòng)賦予更高優(yōu)先級(jí),同時(shí)對(duì)突然飛起的物體觸發(fā)緊急預(yù)警,提升反應(yīng)速度,更加精準(zhǔn)預(yù)判危險(xiǎn)。
自動(dòng)駕駛
(圖片來源:作者使用AI生成)
結(jié)語
重力不僅是物理定律,更是大腦認(rèn)知世界的默認(rèn)腳本。下一次當(dāng)你下意識(shí)接住墜落的手機(jī)時(shí),不妨想想,這或許不是運(yùn)氣,可能就是大腦在悄悄調(diào)用內(nèi)置的重力模擬程序呢!
參考文獻(xiàn):
[1]陳志鵬,余敏斌,呂忠林,等. 周邊視功能的心理物理學(xué)檢測(cè)與臨床應(yīng)用[J]. 國際眼科縱覽,2018,42(3): 204-208.
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出品:科普中國
作者:一言科普?qǐng)F(tuán)隊(duì)
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