撰文 / 李治林（中国科学院物理研究所）
我们都是行走的波动信号接收器，还是精密的波形信号处理器。那些光影和声音，经过层层处理，映入大脑，使我们形成对这个世界丰富的感知。所谓聪明者，耳聪目明也。然耳目所及，常有所限；视听之间，有实有虚。就让我们从科学的角度，重新审视一下视听之间的虚实世界吧。
电影《盗梦空间》剧照
我们如何识声辨色
我们是如何听到声音的呢？
先是耳廓把声音收集起来，通过外耳道传到鼓膜上使其振动；振动通过听小骨等传递到内耳；螺旋卷曲的耳蜗，由外到内不同部位分别对从高频到低频的振动敏感，相应位置的毛细胞感知振动并将其转化为电信号传递给听神经；信号最终传递到大脑，形成听觉。
人耳结构与听觉原理
以上四个步骤，像是电子信号处理中“集中放大、阻抗匹配、频谱分析、数据整合”的过程。
人眼结构与视觉原理
对于光波，则更复杂。人眼能看到的光，其电磁场每秒周期变化为400~800万亿次，细胞靠力学为主的机械结构是跟不上了，这就需要求助于电子。眼睛不只要看到一束光，还要看到光的空间分布，这就要有一套成像系统。
那么，我们是怎样看到物体的呢？首先是角膜、晶状体等构成透镜组，将光线折射后成像到视网膜上；那里的感光细胞中有一些特殊的分子，其中的电子在光的作用下发生转移与跃迁，引起一系列生物化学反应，把光信号转变为神经冲动；眼部几类神经细胞将信息初步整理、层层传递；信息最终进入大脑的视觉中枢，形成更细致且综合的感知。这便是“光学成像、生化感光、初步合成、综合加工”的过程。
物理、生理上的
视听缺陷
实际上，人体感知到的信息与真实的世界相比总是存在偏差的。引起偏差的因素体现在物理、生理、心理等多个层面上。
物理层面上，听觉方面，比如耳廓和耳道等声音的传播通道，它们本身对不同频率声波的通过效率是有差别的。耳道的长度已经天然地对3000赫兹附近的频率有了特殊照顾。举例来说，你用纸张卷成圆筒套在耳朵上听声音，圆筒长短改变，听到的声音也有所不同。视觉方面，比如各种频率的光透过角膜和晶状体等折射时，其折射率随频率增加而增大，这会导致它们聚焦到视网膜附近时，前后位置有轻微差别，因而看起来会有一种红色更近、蓝色更远的错觉。
筒状通道对声音具有频率筛选的功能，且随其长度有所变化
生理层面上，听觉方面，鼓膜的共振、耳蜗的尺寸质地、毛细胞的衰退老化等，都直接影响其对声音的频率响应范围，而这些是与人的个体特征有关的，比如年龄、性别、体质等。视觉方面，血管层和神经层处在视网膜感光层前方，必然会挡住一部分光，造成一些网状的阴影。同样的世界，在不同人眼里有细微的差别。在具有色盲特征的人群眼里，由于其中一种或多种感光细胞异常甚至缺失，更是与他人所见相差巨大。即使同一个人看同一个物品，也会随着年龄、环境、观看过程和时长，甚至生活经验的不同而有所差别。
小的偏差，如星芒。我们都知道星星一闪一闪，是由于大气层折射率不均匀导致的。可是即使星星不“眨眼”，也还是会有隐约可见的边角出现，即所谓的“星芒”。很多绘画作品里都对此有所表现，星芒的形状也各有不同。其实它与眼球的不均匀性、非对称性，以及瞳孔边缘的不规则性、衍射效应等有关。
人眼结构的不均匀性等可导致“星芒”的效果
严重偏差，如盲点。由于神经层处在感光层前面，要汇聚信息传递到后方的大脑，就必然穿过视网膜。这个汇聚点上完全没有感光细胞，形成了一个“窟窿”，就是视觉盲点。盲点靠近眼睛偏鼻子这侧，所以如果我们闭上左眼，用右眼观察正前方时，右前方就会有一个区域成像到盲点上，完全不被感知。
神经系统开小差带来的离奇错觉
在心理层面上，以神经系统为主导产生的错觉，就更加复杂和离奇了。比如“无中生有”：盲点那里本来啥也看不到，可为什么我们却没觉得那里有个窟窿呢？其实这部分区域里的图像就是被我们“脑补”出来的。两段矩形条间的缝隙落在盲点上时，竟然会被“脑补”出一段区域，把它俩连接起来。
“视而不见”和“无中生有”
甚至还有“静中见动”：由于人眼对不同色彩对比度的区域的视觉响应时间有差异，加上眼球的微跳和大脑的补偿，就会对静态的画面产生出动态的错觉。
“静中见动”
关于听觉的错觉，同样离奇。有位音频创作者录制了“Laurel”的发音，却有很多人听完后跟读的是“Yanny”。这一方面是由于不同的人对高低频段的敏感性不同，比如对低频段敏感的人听起来就像是“Laurel”，对高频段敏感的人听起来就像是“Yanny”。另一方面，这也跟大脑的识别过程有关，在对基频、谐波、共振峰等进行判定时，会有多个结果。
甚至还存在各种感官相互干扰产生的错觉。感冒鼻塞时，吃东西都不香了；闻着可乐喝着雪碧，猜猜这是什么味道？饭店里偏红橙色的灯光照射着的小龙虾，似乎更鲜、更诱人。视觉和听觉也不例外。摘了眼镜看电视，没了演员的口型参考，似乎台词听起来都变得模糊了。心理学上的“麦格克效应”描述了这类现象：视觉信息与听觉信息相互作用，造成对语音感知的干扰。
那么，什么是真实的世界呢？世界本身和我们的感知之间是怎样的关系？一方面，感官把外界的信号传递到大脑中被我们感知；另一方面，大脑的神经活动和自身经验，也会反过来影响我们对信息的分辨和加工，有时甚至与真实世界产生较大偏差。视听系统并不只是像摄像头、麦克风那样的单向信息传递系统，而是具有丰富的网络结构和大量的闭环反馈。
所谓“真实性”只是相对的，生物更关心的其实是“合理性”和“适应性”。借助现代科学仪器，我们可以从物理上更好地搜集声音和光线，覆盖更宽的频域和强度，更广泛而精确、理性而定量地认识客观世界。然而，这辅助虽然强大，却无法完全替代人类自身进化了千秋万代的、即使有些缺陷却依然精妙无比的感官。
本文来自《知识就是力量》杂志，原标题《你看到、听到的世界都是真实的吗？》，作者李治林，有删改，原创作品转载请注明来源。