撰文 / 李治林（中國科學院物理研究所）
我們都是行走的波動信號接收器，還是精密的波形信號處理器。那些光影和聲音，經過層層處理，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。就讓我們從科學的角度，重新審視一下視聽之間的虛實世界吧。
電影《盜夢空間》劇照
我們如何識聲辨色
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耳；螺旋捲曲的耳蝸，由外到內不同部位分別對從高頻到低頻的振動敏感，相應位置的毛細胞感知振動並將其轉化為電信號傳遞給聽神經；信號最終傳遞到大腦，形成聽覺。
人耳結構與聽覺原理
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、數據整合」的過程。
人眼結構與視覺原理
對於光波，則更複雜。人眼能看到的光，其電磁場每秒周期變化為400~800萬億次，細胞靠力學為主的機械結構是跟不上了，這就需要求助於電子。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。
那麼，我們是怎樣看到物體的呢？首先是角膜、晶狀體等構成透鏡組，將光線折射後成像到視網膜上；那裡的感光細胞中有一些特殊的分子，其中的電子在光的作用下發生轉移與躍遷，引起一系列生物化學反應，把光信號轉變為神經衝動；眼部幾類神經細胞將信息初步整理、層層傳遞；信息最終進入大腦的視覺中樞，形成更細緻且綜合的感知。這便是「光學成像、生化感光、初步合成、綜合加工」的過程。
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，你用紙張捲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，這會導致它們聚焦到視網膜附近時，前後位置有輕微差別，因而看起來會有一種紅色更近、藍色更遠的錯覺。
筒狀通道對聲音具有頻率篩選的功能，且隨其長度有所變化
生理層面上，聽覺方面，鼓膜的共振、耳蝸的尺寸質地、毛細胞的衰退老化等，都直接影響其對聲音的頻率響應範圍，而這些是與人的個體特徵有關的，比如年齡、性別、體質等。視覺方面，血管層和神經層處在視網膜感光層前方，必然會擋住一部分光，造成一些網狀的陰影。同樣的世界，在不同人眼裡有細微的差別。在具有色盲特徵的人群眼裡，由於其中一種或多種感光細胞異常甚至缺失，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、環境、觀看過程和時長，甚至生活經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，是由於大氣層折射率不均勻導致的。可是即使星星不「眨眼」，也還是會有隱約可見的邊角出現，即所謂的「星芒」。很多繪畫作品裡都對此有所表現，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則性、衍射效應等有關。
人眼結構的不均勻性等可導致「星芒」的效果
嚴重偏差，如盲點。由於神經層處在感光層前面，要匯聚信息傳遞到後方的大腦，就必然穿過視網膜。這個匯聚點上完全沒有感光細胞，形成了一個「窟窿」，就是視覺盲點。盲點靠近眼睛偏鼻子這側，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域成像到盲點上，完全不被感知。
神經系統開小差帶來的離奇錯覺
在心理層面上，以神經系統為主導產生的錯覺，就更加複雜和離奇了。比如「無中生有」：盲點那裡本來啥也看不到，可為什麼我們卻沒覺得那裡有個窟窿呢？其實這部分區域裡的圖像就是被我們「腦補」出來的。兩段矩形條間的縫隙落在盲點上時，竟然會被「腦補」出一段區域，把它倆連接起來。
「視而不見」和「無中生有」
甚至還有「靜中見動」：由於人眼對不同色彩對比度的區域的視覺響應時間有差異，加上眼球的微跳和大腦的補償，就會對靜態的畫面產生出動態的錯覺。
「靜中見動」
關於聽覺的錯覺，同樣離奇。有位音頻創作者錄製了「Laurel」的發音，卻有很多人聽完後跟讀的是「Yanny」。這一方面是由於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，在對基頻、諧波、共振峰等進行判定時，會有多個結果。
甚至還存在各種感官相互干擾產生的錯覺。感冒鼻塞時，吃東西都不香了；聞著可樂喝著雪碧，猜猜這是什麼味道？飯店裡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，似乎台詞聽起來都變得模糊了。心理學上的「麥格克效應」描述了這類現象：視覺信息與聽覺信息相互作用，造成對語音感知的干擾。
那麼，什麼是真實的世界呢？世界本身和我們的感知之間是怎樣的關係？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，大腦的神經活動和自身經驗，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生較大偏差。視聽系統並不只是像攝像頭、麥克風那樣的單向信息傳遞系統，而是具有豐富的網絡結構和大量的閉環反饋。
所謂「真實性」只是相對的，生物更關心的其實是「合理性」和「適應性」。藉助現代科學儀器，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度，更廣泛而精確、理性而定量地認識客觀世界。然而，這輔助雖然強大，卻無法完全替代人類自身進化了千秋萬代的、即使有些缺陷卻依然精妙無比的感官。
本文來自《知識就是力量》雜誌，原標題《你看到、聽到的世界都是真實的嗎？》，作者李治林，有刪改，原創作品轉載請註明來源。