【《茶杯裡的風暴》書摘】跑步機與鴿子

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當我們形容一件事情發生得很快,常常會說「一瞬間」,意思是眼睛一開一合的時間。人類眨眼的時間平均是三分之一秒,但最快可以達到四分之一秒,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而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。

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。

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。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)。

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,快速地搜集訊息。

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。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。

 

本書摘自《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
Storm in a teacup : the physics of everyday life

作者: 海倫‧齊爾斯基/著, 鄭永銘/審訂

原文作者:Helen Czerski

譯者:藍仕豪

出版社:三采  這裡購買

 

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