你聽到的，看到的世界都是真實的嗎？

作者/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械波的世界裡，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。

我們如何識聲辨色

聲波所對應的機械振動，每秒幾千次只是稀鬆平常。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容。那麼，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。

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。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、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，由外到內對應高頻和低頻。特定頻率的聲音只被其中一小部分區域的毛細胞所感知。

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。其中「生化感光」最為關鍵。感光細胞包含細長的視杆細胞和尖尖的視錐細胞。前者可以感受極弱的光，但無法分辨色彩。後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麼容易。

我們可以在耳蝸中輕鬆放置一排排密密麻麻的毛細胞負責不同頻率的聲音的探測，卻很難在眼睛裡放置三稜鏡或光譜儀並配上一排排感光細胞，還恰好每個都對相應頻率的光敏感。然而如果只有一種感光細胞，那眼裡的世界就只有明暗而毫無色彩了。人類做了一些妥協，但還是比較幸運地擁有3種視錐細胞，分別負責長、中、短波長的光的探測，敏感區域大約在紅、綠、藍波段附近。這樣就把看到的色彩表達為3種視錐細胞響應的組合了。

人耳結構與聽覺原理

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。再比如，由於光具有波動性，通過有限尺寸的瞳孔時會發生衍射，這是限制人眼解析度的因素之一。

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。

再如，感光細胞的尺寸會限制人眼的解析度，其種類數量、可響應的頻率範圍，直接影響我們對色彩的感知。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。

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。

人眼結構的不均勻性等可導致「星芒」的效果

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。常見的，比如盯著一幅色彩較淡、輪廓模糊的畫面一段時間，你會發現它逐漸消失了！還有盯一會兒紅色物體後，再觀察白色的牆壁，你會發現上面有綠色的幻影，這是視覺的負後像效應。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。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。

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徵，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、有邊有稜、動態變化、更有價值的信息上去，從而更好地適應環境。

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。另外，在學習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節，而對不熟悉的語言分辨能力就差一些，這也受到神經系統訓練的影響。

甚至還存在各種感官相互幹擾產生的錯覺。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，似乎臺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，造成對語音感知的幹擾。

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。

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，常出現視覺退化的現象。在一些具有四色視覺的鳥類眼裡，世界或許更加豐富多彩。蜜蜂等昆蟲，可以看到紫外線，它眼裡的花朵就有別樣的光彩。在某些蝦蛄科的動物如螳螂蝦眼裡，可以有多達十幾種色覺感受器，甚至還能感知光的偏振性。不過很多哺乳動物都屬於不同程度的「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了。

本文來自《知識就是力量》雜誌