反重力思考 ·

为什么鸽子走路会摇头晃脑?──《茶杯里的风暴》

图/Pixabay

当我们形容一件事情发生得很快,常常会说「一瞬间」,意思是眼睛一开一阖的时间。人类眨眼的时间平均是1/3 秒,但最快可以达到1/4 秒,这似乎是相当快的时间,而这个时间内,我们的身体到底做了些什么事情呢?

当外界的光线进入我们的眼睛之后,首先会撞击到我们视网膜上的细胞。这些细胞上有特殊的感光分子,会藉由一连串化学反应、产生微小的电流讯号;接着讯号透过神经传达到脑部,刺激脑部的神经与细胞。当脑部的判断结果,认为这是需要反应的事情时,就会将指令传达到身体的其他组织。

来自脑部的讯号,藉由神经内的电流和神经之间的化学分子传递;神经之间的传递速度会慢于神经内的速度,最终传递到肌肉之中时,肌纤维(muscle fibre)的分子棘轮(ratchet)系统会让肌纤维缩短,接着你的身体就会有所动作。你做事情的速度再快,体内都需要走完这么多流程,才能在接收到讯息之后做出反应及动作。

眼球神经的简易示意图。图/WikimediaCommons

人类其实是反应迟缓的动物

这些超乎想像的复杂过程,牺牲了我们反应的速度。我一直认为人类是一种相当迟缓的动物,在已知的物理学世界当中显得笨拙,毕竟我们对于一件事情的反应,需要经历许多不同的生理过程。当我们好不容易快速地完成了一件事,但是同时许多过程简单的物理现象,已经完成许多次了,因为它们发生得太快了。

如果你从相当高的位置,让一滴牛奶滴到杯子里,你就会知道我所言不假。当我们盯着液体表面,将无法看见从高空滴落而经过我们面前的那滴牛奶,只能看到牛奶滴落后撞击水面的波、以及回弹升起的液柱,接着液柱又立即降落,而这些已经是人类肉眼追踪高速物体的极限。

当我在攻读博士的时候,指导教授曾经对我说过,如果我可以看到更快速的东西,将会重新思考眼睛所看到的牛奶的现象,并且获得更多的知识。他同时也告诉我,如果要看到这些物体在高速移动下的样貌,我们就需要借助一个比人眼看得更快又更小的设备。

当我们盯着液体表面,将无法看见从高空滴落而经过我们面前的那滴牛奶,只能看到牛奶滴落后撞击水面的波、以及回弹升起的液柱。图/Pixabay

鸽子走路前后摆头的秘密

我之所以攻读博士的原因,就是想要知道缓慢的我们,身旁究竟有多少快速发生而我们却浑然不知的事物。对于这个世界上所有发生在眼前的事,我都十分着迷,特别是那些太小、太快而肉眼无法察觉的现象。因此进入博士班,我便有很多机会可以接触高速摄影,让我看见常人看不到的世界。这世界有很多变化极快的事情,不过人类可以使用这种特殊摄影机:如果你今天变成了鸽子,要如何解决相同的问题呢?

在1977年的时候,有一位大胆的科学家巴立.佛斯特(Barrie Frost)将一只鸽子摆在跑步机上。这是一件现在看起来会让你愣一下、然后大笑,似乎有机会角逐搞笑诺贝尔奖(IgNobel prizes)的事情。随着跑步机的输送带(跑带)开始运作,鸽子不得不往前跨步以维持在相同位置,但是很快的,鸽子就在跑带上驾轻就熟地走着,但是巴立发现事情不对劲了。

如果你曾经在某个城市内的广场,看着鸽子在地上觅食,应该会发现鸽子在行走的时候,头部会前后摇摆。图/Pixabay

如果你曾经在某个城市内的广场,看着鸽子在地上觅食,应该会发现鸽子在行走的时候,头部会前后摇摆。我一直认为这种动作很不舒服,而且似乎是把力气浪费在奇怪的地方。但是跑步机上的鸽子却没有摇头晃脑,这让巴立了解,摆动头部一定有其重要原因,而且似乎与运动时的身体无关。这样的动作实际上是在辅助视觉。

在跑步机上的鸽子即使双脚在走动,身体还是停留在原地,因此周围环境不会产生变化,于是它的头只要维持在原位就可以看清楚周围的环境。然而当鸽子在陆地上行走时,身处的位置不断变化,鸽子的视觉跟不上自己移动的速度,所以它并非单纯地前后摇摆,而是在身体行走时让头部维持原来的位置,眼睛有更多时间看清并分析这个场景,接着快速换到下一个位置。

你可以想成鸽子的视觉是一台照相机,但是拍摄一张照片的速度并不快,所以鸽子必须维持头部不动去获得明确的影像以及周围的状况,但这时,它仍持续在走路,因此就会出现身体往前而头部固定(或是看起来就像头部往后)的样子。接着,它的头部快速往前,让眼睛拍摄下一张照片。如果你花一点时间仔细观察,就会明白我说的现象(虽然它的头会停顿一下,但是也不会太久)。

鸽子并非单纯地前后摇摆,而是在身体行走时让头部维持原来的位置,眼睛有更多时间看清并分析这个场景。图/Giphy

自动帮你剪辑影片的大脑

目前科学家还不完全明白为什么有些鸟类的视觉在收集周围讯息时会如此缓慢,使得它们必须要这样摆动头部,但是有些鸟类却不用。而且这些鸟类如果不让自己的视觉变得像是一张张的停格画面,似乎就无法行动。我们的视觉可以跟上自己跑步或行走的速度,但如果你在行进时需要仔细检视路边的物体,通常会有一股「要停下来」的强烈念头,这是因为我们的眼睛也无法在变动的环境中,快速地搜集讯息。

事实上,人类与鸽子的视觉有很多相似的地方(当然我们不会摇头晃脑),但是因为大脑能够将移动的图像拼接在一起,所以我们很难察觉脑中形成的影像其实是眼睛在不同点之间迅速捕捉画面,并透过脑部处理不断累积的资讯,最后形成我们意识能理解的形象。

这里有一个简单的实验,找一面照着自己的镜子,先让你的眼睛看镜子中的左眼,接着看右眼(左右顺序可以颠倒)。你会发现镜子中的眼球没有动过,但是如果旁边有人在观察你,他会很肯定地告诉你,你眼球看的方向忽左忽右。这时大脑已经将你的视觉拼接在一起,因此你永远不会知道自己眼球在转动。但是我们的眼睛,的确时时刻刻都在转动。

这就是为什么我们要依赖电脑

相较于鸽子,人类的视觉反应并没有快上多少,这代表世界上仍然有很多超乎我们视觉感官的现象。我们生活中常见而习惯的时间尺度,大概是1 秒钟到数年这个范围。如果没有科学的帮助,我们无法看见千分之一秒内发生的现象,也无法理解需要数千年变化的事物。事实上,人类生活周遭面对的时间,对于整个自然而言不快也不慢,这就是为什么电脑可以处理这么多事情,而我们知道人类自己绝对做不来的原因。

电脑的运作其实来自一套简单的规则,但是当每一项简单的工作都要在极短时间内完成时,就必须藉由数以百万计的运算过程来完成复杂的工作,即使我们感觉不到明显的时间流动。在科技日新月异的时代,电脑的运算速度也与时俱进,但是完成一件简单工作的时间,从百万分之一秒变成十亿分之一秒时,因为两者都太快,完全超越我们的知觉而无法分别差异;不过对于复杂的工作而言,区分这两种时间的差异,就变得非常重要。

本文摘自《茶杯里的风暴:丢掉公式,从一杯茶开始看见科学的巧妙与奥秘》,三采文化出版。

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