超大行星案例

伽利略注意到的错觉可以帮助解释我们如何看到光明与黑暗

作者：Stephen L. Macknik& Susana Martinez-Conde

从地球上看，金星（中心）看起来比木星（最左）更大，这是一种有趣的视觉效果。为了比例，同一晚观测到的月球已添加到此图像中。

WANG LETIAN *www.luckwlt.com*

伽利略·伽利雷感到困惑。这位文艺复兴时期的天文学家注意到，行星在用肉眼观察时似乎会随着“光芒四射的光环”而膨胀，但是通过望远镜观察时，这种效果大大减弱。

这种差异使他感到疑惑：这种尺寸错觉是由角膜上的水分引起的吗？光散射？这两种可能性都不令人满意，因为即使使用望远镜，这些影响仍然会存在。实际上，伽利略遇到了一个视觉谜题，研究人员仍在解开它。

一条线索来自另一位杰出人物的观察：艺术家兼工程师莱昂纳多·达·芬奇。就在伽利略发现光芒四射的光环的几十年前，莱昂纳多就注意到浅色画布上的深色物体似乎比深色背景上的浅色物体更清晰。此后，视觉科学家发现，黑色背景上的白色形状通常看起来比浅色背景上同样大小的深色物体更大。19世纪，当可敬的德国物理学家兼生理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹确定至少有两个因素导致了这种效应时，对这些奇特的感知模式的解释就出现了，他将这种效应称为“照射错觉”。

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第一个因素是眼睛中光散射的方式。当我们看非常明亮的物体时，光子会穿过视网膜，其中一些会被光感受器吸收，从而形成聚焦视觉。未被吸收的光子然后可以从视网膜后面的眼睛后部反射出来，并在反射回视网膜时分散，从而导致更大范围的光感受器的散射、非聚焦激活。这种现象称为内视眩光。

这种光学效应有助于解释伽利略的光芒四射的光环，以及为什么太阳系最大的行星木星看起来比金星小。从技术上讲，这两个天体都离我们太远了，以至于它们的光子所对的面积小于地球上人类视网膜中的单个光感受器。实际上，根据一年中的时间，行星应该看起来在 9 到 66 角秒之间——对于肉眼来说，视觉距离太小了，以至于视力为 20/20 的人只会将它们感知为每个大约 1 角分。（为了说明它有多小：如果您用 60 条黑白相间的垂直条纹涂指甲，并将其伸到手臂的长度，则每条条纹的宽度约为 1 角分。）由于金星更靠近太阳和地球，因此其表面比木星向您的眼睛反射的光子多得多，从而导致更大的内视眩光。

但是，在照射错觉中，第二个因素也在起作用。例如，眩光无法解释这样一个事实：当伽利略卫星被视为木星质量上的黑点时，似乎比被视为夜空中的白色信标时更小。冯·亥姆霍兹意识到，答案一定在于大脑如何处理光与暗物体。科学家们现在才找到阐明这些神经过程的方法。

正如本专栏中的例子所说明的那样，光明与黑暗之间的相互作用不仅对于观星至关重要，而且对于我们的日常视觉也至关重要，因为对比度是我们看到一切事物的根本。

对比度与细节

新的发现有助于揭示视觉系统中的神经处理如何导致浅色物体看起来比深色物体更大。这些发现——来自纽约州立大学视光学院的 Jose-Manuel Alonso 和马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所的 David Fitzpatrick 的实验室——不仅解释了伽利略的许多令人困惑的观察结果，还解释了我们体验对比度本身的方式。

Alonso 在此处展示的一系列面部图像演示了浅色与深色处理如何在我们的日常视觉中发挥作用。在图像 1 中，我们有一张正常的彩色照片。在图像 2 中，我们以灰度查看它。如果我们仅查看图像中较暗的像素（小于图像的中等亮度）与较亮的像素（像素中较亮的 50%），有趣的事情就开始发生了。

请注意深色像素版本（3）是多么清晰和精确。这一观察结果源于以下发现：处理深色的神经系统以高分辨率和精确的空间细节进行处理。在浅色像素图像（4）中，对比度的感知很强烈，但细节丢失了。Alonso 的错觉入围了 2016 年年度最佳错觉大赛的前 10 名。

研究人员发现，浅色处理神经元接收来自视觉场景更大区域的输入（因此分辨率较低），而深色处理神经元（因此分辨率较高）则不然。在正常视觉中，深色和浅色处理系统协同工作以产生对比度，从而产生强大的效果。例如，在深色像素图像中，眼睛的白色部分似乎比浅色像素图像中的头发要浅得多，但是如果我们将两者用一条颜色匹配的条带连接起来，我们可以看到它们实际上是相同的。（请记住：深色图像中最亮的像素与浅色图像中最暗的像素的阴影相同——两者都等于正常灰度图像的中等亮度。）这表明，感知到的细节或对比度的任何差异都必须是由大脑如何处理浅色与深色引起的。

图片来源：GETTY IMAGES（女性）；JOSE-MANUEL ALONSO（面部系列）

黑白等效