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王陽明的一些弟子不了解他的「心外
無理,心外無物」,在與他於紹興南鎮散
步時問他,山上的花自開自落,與心何關
?王陽明回答:「爾未看此花時,此花與
爾心同歸於寂。爾來看此花時,則此花顏
色,一時明白起來。便知此花,不在爾的
心外」。以現在的了解,「心」應是腦的
運作,這篇文章便談談看到的花在那裡。
眼能視物,是眼接受物體發射或反射 的光,傳至腦,為腦感知的結果。光是視 覺的媒介,要了解視覺,先要了解光。光 是什麼?17世紀時,牛頓傾向認為光是一 種粒子,攜有自己的能量。在牛頓的影響 下,百餘年裡,多數人接受光是微小粒子 的觀念。1803年的雙縫實驗造成一些改變 ,這實驗很簡單:將單色光射在有兩條狹 縫的不透明板上,板後設偵測屏,屏上就 會顯現像水波經過相鄰兩孔時所出現的干 涉圖案。許多科學家據此推論光是一種波 。1905年,愛因斯坦對光電效應 (超過金 屬特徵頻率的光照射於金屬表面會產生電 流) 的解釋:光所攜能量為離散量子包, 這顯示光有量子性質。這理論對量子力學 的成立具有貢獻,愛因斯坦因此獲頒1921 年諾貝爾物理獎。光倒底是波還是粒子? 在幾百年裡纏訟不休,到20世紀,許多科 學家同意,光有波的性質,也有粒子的性 質,但在一個實驗中只會出現其中一種: 不是波就是粒子,不是粒子就是波,光具 有波粒二元性。
雙縫實驗被許多科學家變更條件重複
執行。例如,控制光源使每次只發射一個
光子,則會在偵測屏上形成一點,累積許
多光子的結果,則仍得到干涉圖案。更另
人驚訝的,當我們用電子、原子、甚至分
子,一個個地射在雙縫實驗的裝備上,也
會得到干涉圖案。所以不僅是光,所有的
粒子,或物質,也有波的性質!這要如何
解釋?一個說法是,在微觀層次,觀察或測量本身會影響被測系統的狀態,所以一 個粒子的位置和動量無法同時確定 (海森 堡不確定性原理 ),只能用波函數來計算 粒子在某位置或某運動狀態的機率。波函 數已被再三證實為一對量子系統的有效描 述,對微電子工業的興起等具有貢獻。但 ,粒子的本質為何?雙縫實驗中的光子、 電子、原子、分子,在撞擊偵測屏前,是 在怎樣的狀態?一種詮釋是,它們乃處在 機率波的形式,當觀測或撞擊時,機率波 函數塌縮,成為觀測到的狀態。這詮釋引 起很多爭論,如:沒人看月亮時,月亮是 否乃以機率波的形式存在?這是不是有點 像王陽明和他的學生所討論的:沒人看花 時,花是否在那裡?
接著我們來看看人腦中的視覺機制。 如本季刊30期「良知與腦」一文中說,腦 是演化來指引動物行動的。動物要如何行 動才能在一生所有可能面對的環境中存活 ?這顯然是個困難的問題,牽涉甚廣,但 至少要做到一點,即動物在每個環境中必 須知道環境中有什麼東西以及這些東西對 自己的影響:有沒有東西會危害自己?有 沒有東西阻礙行動?是不是有食物?是不 是有同伴?其實要做到這一點也很不容易 ,若要設計一個機器來做,即使在科技昌 明的現代,也是非常困難的挑戰。但演化 卻做到了,地球上這麼多千奇百怪的動物 在所處的環境中生存繁衍,活動自如,真 可說是奇蹟。演化到底做了些什麼,才造 就了這樣的奇蹟?
首先,動物演化出了以處理資訊為目
的神經細胞,也稱神經元,可統合眼耳鼻
舌身等不同感官的輸入,並控制肌肉、骨
骼以行動。不同神經元可代表感官偵測到
的事物,其激發與否即代表當下正在注意
的資訊。神經元間以種種方法連結,而連
結的改變即導致了學習和記憶。
其次,動物演化出了眼睛這樣神奇的器官。以人的眼睛來說,視網膜上約有10 億個偵測明暗的桿細胞和聚在中央的、約 400 萬個偵測顏色的錐細胞,可把接收到 的光轉換成電訊號,傳輸至腦。感光體的 位置和視界中物體的位置有關,在一個影 像處理完成之前,也就是偵測出在影像中 那裡有什麼之前,位置資訊需保留,所以 需要二維排列的、與視界對應的許多的神 經元。眼睛不斷在看,一眨眼就輸入一個 影像,平均每秒輸入約四個,所以視覺使 用了大量的神經元。有人估計,人腦中約 一千億個神經元中,和影像處理有關的超 過一半。
再來,就資訊處理的觀點來看,看到 的資訊需儲存起來,才能發揮作用,而儲 存影像的投資就很驚人。簡單地算一算, 若每個神經元激發與否可表示一個位元, 那每個桿細胞和錐細胞對一個光點的偵測 結果即使只需1個位元,每秒4個影像就需 要40億個神經元,顯然任何動物的腦都沒 法子負荷這樣的儲存需求,所以必須即時 找出影像中與個體相關的東西,僅將這些 相關的東西及其特徵儲存。演化做到了這 點,近年來,科學家們在腦中找到許多處 理影像的區域,有的可找出物體的邊緣, 有的可偵測物體的顏色、明暗、紋理等特 徵,也有的可處理運動等。
處理速度也是關鍵,一個典型的神經 元被激發後,約需15毫秒才可處理下一個 資訊,但許多行動需迅速完成,以打棒球 為例,投手板到本壘板的距離是 18.44公 尺,一個好的投手的球速可達每秒42公尺 ,所以從球出手到進本壘只需0.44秒,在 這時間內,打擊手要將球打到希望的位置 。0.44秒除以15毫秒約等於30,也就是說 ,從眼睛看到球,到揮動球棒將球擊出, 最多只能經過30層的神經元的處理。神經 系統顯然沒時間去計算來球的速度、風向 等,只能依來球的光影變化,激發適當的 肌肉揮棒。那些肌肉要激發?顯然所有的 知識都必需建立在輸入至輸出的神經連結 中,才能滿足這處理速度的需求。就視覺 來說,在每個輸入的影像中,物體邊界的 偵測、物體特徵的辨識等,都須下意識地 、自動地迅速完成。這應和我們的經驗符 合:想想看,當一群人站在面前,其中與自己熟識的是不是很快地得到注意?
花費這麼多的身體資源來處理視覺信
號是很自然的。想想在動物演化之初,要
如何找到在某種情況下如何行動的知識?
一個自然的方法:和經驗過的比較。比如
說,看過投擲石頭的軌跡,在下一次投擲
石頭時,便可幫助我們預測石頭的動態。
就這類比的機制而言,視覺較之聽覺等其
他感官,對環境中有什麼東西及這些東西
的影響這關乎生存的問題提供了較多的資
訊,因此我們人類在視覺上乃投入了最多
的資源,眼睛成為人最有效的感官。
我們慣用圖像,一張好圖勝過千言萬
語。圖像也是思考的重要方法,以下是用
圖像思考的一個有名的故事:常有人問愛
因斯坦,他是怎麼想出相對論這與一般經
驗差別這麼大的理論的,有一次他這麼回
答:「我想像我坐在光上面行進會看到什
麼景象,就得到了這理論」。愛因斯坦過
逝後,有人解剖他的頭腦,發現他腦中處
理空間的部位比常人大了約15%,這可能 是他慣用圖像思考、相關神經系統用進廢 退的結果。
生物個體的資源有限,人的觀測能力 也受到限制。人眼可見的光,僅為電磁波 中波長380奈米至780奈米的很小的一段, 這些不同頻率的光讓我們感覺到紫、藍、 綠、黃、橙、紅等顏色。為什麼是這段波 長而非其他?依演化的原則,應是看到這 些就已夠用,而其所需的資源尚為身體可負擔。
對環境的偵測能力對動物個體的生存
至關重要,就人類整體而言,觀測能力對
知識的進展也影響重大。比如說,伽利略
使用自製望遠鏡,觀察到月球的崎嶇表面
和銀河乃由許多星體組成等現象,對天文
學的進步有很大的影響。顯微鏡的發明對
生物學也是。觀測能力成為科學的基礎,
可由觀測重複驗證的,才是科學。
近年來,人類的觀測能力又有長足進 展。在宏觀方面,除了建在山上的大型望 遠鏡外,天文學家們已發展出置於太空中 的望遠鏡,如:可見光波段的哈伯望遠鏡 ,紅外光波段的史匹哲望遠鏡,X 光波段 的錢卓望遠鏡等,這些望遠鏡和其他太空 科技使我們對可能襲擊地球的天體已有初步的偵測和防禦能力。比較起來,對大地
和大海的了解則似有不足,目前對地震等
仍不能準確預測而有效防範,希望有一天
也能改進。在微觀方面,電子顯微鏡可放
大物體至近百萬倍,已可讓我們看到單一
原子,而對次原子的結構,粒子加速器也
使我們能有效地探索。
無論觀測能力如何進步,以圖像感知 ,以圖樣思考,仍是我們人類基本而重要 的本領。感知到的花與現實中的花有無不 同?當一個人說他看到花,就表示他腦中 一些特定的神經元已被激發,所看到的花 顯然是腦所建構的。其實,在牛頓時,人 們就已了解,顏色應是我們的腦所建構的 ,另一途徑演化出來的生物看見花所感受 到的,很可能與我們所感受到的不同,比 如說,若這生物可看見的光的波長和我們 人類的不同,那其神經系統乃至其所感受 到的,便應與我們感受到的有所差異。人 類,因為系出同源,基因所定的身體 (含 腦) 的結構相同,所以兩個人看到花,用 共用的語言描述起來,便可溝通。但一個 人不能見到另一個人所見,和乙所看見的 花是否一樣?終究無法證實。
現實中的世界和我們所感受到的有無 不同?數十億年演化而來的感官使我們有 能力感知環境中的事物,讓我們在一生所 有可能的處境中都能適應得很好,但人眼 只能看到波長380奈米至780奈米的光波, 人的其他感官也受到相當的限制,現實的 世界中,會不會有些東西是我們所觀測不 到的?若是,那現實的世界到底是什麼樣 子?這可能是個無法回答的問題,因為一 個人受限於自己的感官,只能就自己所感 受到的作描述。
「心外無理,心外無物」應是陽明先
生強調人的所見所聞,甚至於所思所想,
均為神經元激發的結果,都是腦的運作,
這點應無疑義。但,沒人看花時,花到底
是在還是不在?月亮,沒在看時,是在還
是不在?愛因斯坦不能接受機率波的說法
,曾說:「上帝是不會擲骰子的」。筆者
自己傾向認為,人所觀測到的雖未必是環
境中的全部,但觀測到的應都具體存在。
若說人類出現以前,月亮不見得在那裡,
那人類會不會太自大了些呢?讀者您的看
法如何?
(謝千行／臺北市)
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