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為什麼鴿子走路會搖頭晃腦?──《茶杯裡的風暴》

圖/Pixabay

當我們形容一件事情發生得很快,常常會說「一瞬間」,意思是眼睛一開一闔的時間。人類眨眼的時間平均是 1/3  秒,但最快可以達到 1/4 秒,這似乎是相當快的時間,而這個時間內,我們的身體到底做了些什麼事情呢?

當外界的光線進入我們的眼睛之後,首先會撞擊到我們視網膜上的細胞。這些細胞上有特殊的感光分子,會藉由一連串化學反應、產生微小的電流訊號;接著訊號透過神經傳達到腦部,刺激腦部的神經與細胞。當腦部的判斷結果,認為這是需要反應的事情時,就會將指令傳達到身體的其他組織。

來自腦部的訊號,藉由神經內的電流和神經之間的化學分子傳遞;神經之間的傳遞速度會慢於神經內的速度,最終傳遞到肌肉之中時,肌纖維(muscle fibre)的分子棘輪(ratchet)系統會讓肌纖維縮短,接著你的身體就會有所動作。你做事情的速度再快,體內都需要走完這麼多流程,才能在接收到訊息之後做出反應及動作。

眼球神經的簡易示意圖。圖/WikimediaCommons

人類其實是反應遲緩的動物

這些超乎想像的複雜過程,犧牲了我們反應的速度。我一直認為人類是一種相當遲緩的動物,在已知的物理學世界當中顯得笨拙,畢竟我們對於一件事情的反應,需要經歷許多不同的生理過程。當我們好不容易快速地完成了一件事,但是同時許多過程簡單的物理現象,已經完成許多次了,因為它們發生得太快了。

如果你從相當高的位置,讓一滴牛奶滴到杯子裡,你就會知道我所言不假。當我們盯著液體表面,將無法看見從高空滴落而經過我們面前的那滴牛奶,只能看到牛奶滴落後撞擊水面的波、以及回彈升起的液柱,接著液柱又立即降落,而這些已經是人類肉眼追蹤高速物體的極限。

當我在攻讀博士的時候,指導教授曾經對我說過,如果我可以看到更快速的東西,將會重新思考眼睛所看到的牛奶的現象,並且獲得更多的知識。他同時也告訴我,如果要看到這些物體在高速移動下的樣貌,我們就需要借助一個比人眼看得更快又更小的設備。

當我們盯著液體表面,將無法看見從高空滴落而經過我們面前的那滴牛奶,只能看到牛奶滴落後撞擊水面的波、以及回彈升起的液柱。圖/Pixabay

鴿子走路前後擺頭的秘密

我之所以攻讀博士的原因,就是想要知道緩慢的我們,身旁究竟有多少快速發生而我們卻渾然不知的事物。對於這個世界上所有發生在眼前的事,我都十分著迷,特別是那些太小、太快而肉眼無法察覺的現象。因此進入博士班,我便有很多機會可以接觸高速攝影,讓我看見常人看不到的世界。這世界有很多變化極快的事情,不過人類可以使用這種特殊攝影機:如果你今天變成了鴿子,要如何解決相同的問題呢?

在 1977 年的時候, 有一位大膽的科學家巴立. 佛斯特(Barrie Frost)將一隻鴿子擺在跑步機上。這是一件現在看起來會讓你愣一下、然後大笑,似乎有機會角逐搞笑諾貝爾獎(IgNobel prizes)的事情。隨著跑步機的輸送帶(跑帶)開始運作,鴿子不得不往前跨步以維持在相同位置,但是很快的,鴿子就在跑帶上駕輕就熟地走著,但是巴立發現事情不對勁了。

如果你曾經在某個城市內的廣場,看著鴿子在地上覓食,應該會發現鴿子在行走的時候,頭部會前後搖擺。圖/Pixabay

如果你曾經在某個城市內的廣場,看著鴿子在地上覓食,應該會發現鴿子在行走的時候,頭部會前後搖擺。我一直認為這種動作很不舒服,而且似乎是把力氣浪費在奇怪的地方。但是跑步機上的鴿子卻沒有搖頭晃腦,這讓巴立了解,擺動頭部一定有其重要原因,而且似乎與運動時的身體無關。這樣的動作實際上是在輔助視覺。

在跑步機上的鴿子即使雙腳在走動,身體還是停留在原地,因此周圍環境不會產生變化,於是牠的頭只要維持在原位就可以看清楚周圍的環境。然而當鴿子在陸地上行走時,身處的位置不斷變化,鴿子的視覺跟不上自己移動的速度,所以牠並非單純地前後搖擺,而是在身體行走時讓頭部維持原來的位置,眼睛有更多時間看清並分析這個場景,接著快速換到下一個位置。

你可以想成鴿子的視覺是一臺照相機,但是拍攝一張照片的速度並不快,所以鴿子必須維持頭部不動去獲得明確的影像以及周圍的狀況,但這時,牠仍持續在走路,因此就會出現身體往前而頭部固定(或是看起來就像頭部往後)的樣子。接著,牠的頭部快速往前,讓眼睛拍攝下一張照片。如果你花一點時間仔細觀察,就會明白我說的現象(雖然牠的頭會停頓一下,但是也不會太久)。

鴿子並非單純地前後搖擺,而是在身體行走時讓頭部維持原來的位置,眼睛有更多時間看清並分析這個場景。圖/Giphy

自動幫你剪輯影片的大腦

目前科學家還不完全明白為什麼有些鳥類的視覺在收集周圍訊息時會如此緩慢,使得牠們必須要這樣擺動頭部,但是有些鳥類卻不用。而且這些鳥類如果不讓自己的視覺變得像是一張張的停格畫面,似乎就無法行動。我們的視覺可以跟上自己跑步或行走的速度,但如果你在行進時需要仔細檢視路邊的物體,通常會有一股「要停下來」的強烈念頭,這是因為我們的眼睛也無法在變動的環境中,快速地蒐集訊息。

事實上,人類與鴿子的視覺有很多相似的地方(當然我們不會搖頭晃腦),但是因為大腦能夠將移動的圖像拼接在一起,所以我們很難察覺腦中形成的影像其實是眼睛在不同點之間迅速捕捉畫面,並透過腦部處理不斷累積的資訊,最後形成我們意識能理解的形象。

這裡有一個簡單的實驗,找一面照著自己的鏡子,先讓你的眼睛看鏡子中的左眼,接著看右眼(左右順序可以顛倒)。你會發現鏡子中的眼球沒有動過,但是如果旁邊有人在觀察你,他會很肯定地告訴你,你眼球看的方向忽左忽右。這時大腦已經將你的視覺拼接在一起,因此你永遠不會知道自己眼球在轉動。但是我們的眼睛,的確時時刻刻都在轉動。

這就是為什麼我們要依賴電腦

相較於鴿子,人類的視覺反應並沒有快上多少,這代表世界上仍然有很多超乎我們視覺感官的現象。我們生活中常見而習慣的時間尺度,大概是 1 秒鐘到數年這個範圍。如果沒有科學的幫助,我們無法看見千分之一秒內發生的現象,也無法理解需要數千年變化的事物。事實上,人類生活周遭面對的時間,對於整個自然而言不快也不慢,這就是為什麼電腦可以處理這麼多事情,而我們知道人類自己絕對做不來的原因。

電腦的運作其實來自一套簡單的規則,但是當每一項簡單的工作都要在極短時間內完成時,就必須藉由數以百萬計的運算過程來完成複雜的工作,即使我們感覺不到明顯的時間流動。在科技日新月異的時代,電腦的運算速度也與時俱進,但是完成一件簡單工作的時間,從百萬分之一秒變成十億分之一秒時,因為兩者都太快,完全超越我們的知覺而無法分別差異;不過對於複雜的工作而言,區分這兩種時間的差異,就變得非常重要。

 


 

本文摘自《茶杯裡的風暴:丟掉公式,從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕》,三采文化出版。

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