【《茶杯裡的風暴》書摘】跑步機與鴿子

2017 年 09 月 06 日2018 年 07 月 29 日 CASE PRESS

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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。