大腦中的重力指南針：為何人類能快速識別自然下落物體的運動軌跡

重力作為地球上恒定的物理量之一，已經深深烙印在人類進化與認知的底層邏輯中。它塑造了我們對世界的基礎理解，形成了許多不言自明的固有認知。閉眼時，我們會默認松手后手中的東西垂直向下運動；在陌生環境中，我們會默認頭部的朝向為上，腳部朝向為下；倒水時，我們會預期水流呈拋物線下落，而非直線或隨機擴散……這些固有認知共同構成了人類對世界的基礎操作框架。

當地球人邁向太空，長期駐留于失重或微重力環境時，我們的大腦是否將地球重力預設為運動感知的隱形標尺呢？這種根植于進化中的固有認知又如何影響對復雜運動信息的判斷呢？

手中東西自由下落

（圖片來源：作者使用AI生成）

2025年7月，中國科學院心理研究所蔣毅研究組的一項創新實驗，首次揭開了這一謎題：通過將自然重力加速度線索融入經典的“運動感知任務”，揭示了視覺系統竟能自動捕捉局部運動中的重力暗示，像拼圖般快速整合出全局方向——這一機制，或許正是人類在地球上一眼看穿物體下落軌跡的秘密。

實驗設計：基于心理物理法的運動感知測量

心理物理法是心理學與感知科學中用于量化主觀感知與客觀物理刺激之間關系的實驗方法，其核心目標是通過測量個體對物理刺激的感知閾值或辨別能力，揭示感知系統的內在機制。在本研究中，研究者利用心理物理法設計5個實驗，高效測量參與者對連貫運動方向的感知閾值。

在實驗1-4中，參與者想象自己坐在一條隧道的一端，離他們很遠處的隧道另一端有一個透視繪圖背景屏幕的方形區域，兩個人物站在方形區域的兩側，為參與者預估屏幕上物質的實際大小提供參考。實驗前，參與者被告知隧道的高度為3米，靠近隧道的兩個身影的高度為1.8米，這些信息幫助參與者感知到刺激物是在遠處以重力加速度呈現的移動狀態。

運動刺激和背景的示意圖

（圖片來源：參考文獻[2]）

在方形區域內部，包含400個移動的點，分別為信號點和噪聲點。信號點均沿同一垂直方向進行向上或向下的加速或者減速移動。其中，加速向下和減速向上的運動為符合自然重力運動的規律（1g條件），而加速向上運動和減速向下運動則與自然重力運動相反（?1g條件），稱為反轉重力方向。噪聲點除了垂直向上和向下移動外，以隨機的方向移動。對應到上圖中，光點就代表信號點，這些點在虛擬場景坐標系中以相同的初始速度從正方形的上部開始以1g的加速度向下運動。空心點代表噪聲點，除了移動方向隨機之外，運動參數與信號點相同。在實驗1中，為了檢驗在恒定速度噪聲點中，重力方向是否促進連貫運動感知。研究者設計刺激區域為8度乘以8度的視覺角度，讓信號點以自然重力或反轉重力加速運動，方向為向上或向下。噪聲點以恒定速度，進行非垂直方向的隨機運動。在實驗2中，為了檢驗當噪聲點與信號點具有相同加速度時，重力方向是否仍促進感知，讓噪聲點以與信號點相同大小的加速度隨機運動。在實驗3中，為了檢驗在動態變化的刺激條件下，重力方向的影響是否穩定，讓每個點的壽命隨機，消失后重新出現。在實驗4中，為了檢驗在更大刺激區域和更高速度下，重力方向的影響是否仍存在，將信號點與噪聲點擴大到900個，刺激區域擴大為15度乘以15度的視覺角度，平均速度提高至上述實驗的2.3倍。

每次實驗開始時，方形屏幕中心會先出現一個固定十字，持續500毫秒，然后是移動的點顯示1000毫秒，之后是100毫秒的空白間隔。之后會呈現一個“？”符號，參與者需要通過按下相應的按鍵來判斷這些一致運動的方向是向上還是向下。

實驗示意圖。Fixaton 500 ms：固定十字，持續500毫秒；Moving dots 1000 ms：移動的點，顯示1000毫秒；Blank interval 100 ms：空白間隔，100毫秒；Coherent direction judgment until response：在響應前進行一致性方向判斷。

實驗示意圖。Fixaton 500 ms：固定十字，持續500毫秒；Moving dots 1000 ms：移動的點，顯示1000毫秒；Blank interval 100 ms：空白間隔，100毫秒；Coherent direction judgment until response：在響應前進行一致性方向判斷。

（圖片來源：參考文獻[2]）

為了檢驗在接近真實世界的顯示條件下，重力方向的影響是否仍存在，讓參與者坐在距離1.9米高的投影屏幕7米外的距離處，將運動刺激畫面直接投射到屏幕上，沒有帶有透視效果的背景圖。

實驗5的示意圖

（圖片來源：參考文獻[2]）

最終，通過QUEST方法對每位參與者測量相干運動感知閾值。QUEST方法是一種貝葉斯自適應心理測量程序，在每個條件的第一次實驗中，初始一致性水平設置為80%。然后，根據QUEST程序計算出的閾值分布，根據參與者的反應對每次試驗的一致性水平進行調整。信號點的最小和最大百分比被限制在1%至80%之間。在40次實驗后，以75%的準確率估計出每種條件下參與者最終的感知閾值。這種高效精準的測量手段為后續發現奠定了方法學基礎。

研究發現：視覺系統中的重力優先效應

實驗結果如下圖顯示，點線圖呈現了個體數據與組均值的分布， 每個點代表一個參與者在自然重力（1g）或反轉重力（-1g）條件下的運動相干閾值數據。三角形符號表示組均值，與柱狀圖中的柱子頂部對齊。連線用于連接同一實驗中自然重力（1g）或反轉重力（-1g）條件的值，直觀顯示重力方向對閾值的影響。柱狀圖展示每種情況下的平均運動相干閾值，揭示重力方向對感知能力的量化影響。閾值越低，代表參與者的感知能力越強，對全局運動的感知更敏感。

不同實驗條件下自然與反轉重力條件對一致性運動感知閾值的影響。圖A-E：實驗1-5；size：視覺區域；noise：噪聲點以恒定速度或變速運動； p值代表統計可靠性。

（圖片來源：參考文獻[2]）

如圖A所示，在恒定速度噪聲背景下，參與者對自然重力方向（1g）的感知閾值明顯低于反轉重力方向（-1g），自然重力方向更易被參與者整合為連貫運動，而且“往下掉”的東西比“往上飄”的更容易被參與者注意到。

此外，為了排除干擾，把噪聲點改成了和信號點一樣有加速度的運動，結果自然重力的優勢依然存在，說明這個效果不是靠有沒有加速度區分的，而是真的和重力方向有關。

同時，為了讓畫面更動態，研究者把畫面里的點設計成壽命隨機，即有的點很快消失，有的點存在時間更久。結果自然重力的優勢還是沒變，說明這個效果夠穩定，不怕刺激變復雜。

研究者繼續擴大刺激參數下的重力方向感知，將畫面區域擴大，點的運動速度加快來模擬更復雜的場景。結果自然重力依然更易被參與者識別，但這次“往上飄”和“往下掉”的差異消失了。

最后，研究者直接用投影儀把畫面投到大屏幕上來模擬真實的看遠處隧道的場景，結果自然重力的優勢依然存在，說明此效應在真實場景中仍然保持穩定。

總的來說，無論背景噪聲是否包含加速度、點的存在時間持久或短暫、刺激場景在虛擬或真實世界中呈現，人們始終更易整合并辨別符合自然重力作用的運動信號。

大腦的重力先驗模型如何影響現實科技？

人類視覺系統通過內在的重力先驗模型，自動整合局部運動信號中的重力方向線索，從而優化對全局連貫運動的感知。這項發現不僅解開了認知科學的謎題，更可能為多個領域帶來顛覆性應用。

虛擬現實（VR）設計：在VR游戲中，若物體運動不符合重力邏輯，用戶容易頭暈或出戲。VR開發者可以通過模擬自然重力方向的運動軌跡設計游戲，讓虛擬物體的拋擲、墜落更貼近現實以提升用戶沉浸感。

VR游戲

（圖片來源：作者使用AI生成）

航天航空：在微重力環境中，為航天員訓練設計反重力模擬場景，幫助他們在微重力環境下提前適應運動規律，幫助宇航員維持空間感知能力。

航天航空

（圖片來源：作者使用AI生成）

汽車自動駕駛：自動駕駛系統需要快速識別行人、拋擲物等動態目標。未來，車載視覺系統可以集成重力感知模型，對符合自然重力的運動賦予更高優先級，同時對突然飛起的物體觸發緊急預警，提升反應速度，更加精準預判危險。

自動駕駛

（圖片來源：作者使用AI生成）

結語

重力不僅是物理定律，更是大腦認知世界的默認腳本。下一次當你下意識接住墜落的手機時，不妨想想，這或許不是運氣，可能就是大腦在悄悄調用內置的重力模擬程序呢！

參考文獻：

[1]陳志鵬,余敏斌,呂忠林,等. 周邊視功能的心理物理學檢測與臨床應用[J]. 國際眼科縱覽,2018,42(3): 204-208.

[2]Lu, X., Song, B., Zhang, S. et al. Implied gravity promotes coherent motion perception. npj Microgravity 11, 36 (2025).

[3]Wang, Y., Zhang, X., Wang, C., Huang, W., Xu, Q., Liu, D., Zhou, W., Chen, S., & Jiang, Y. (2022). Modulation of biological motion perception in humans by gravity. Nature Communications, 13, 2765.

出品：科普中國

作者：一言科普團隊

監制：中國科普博覽