錯覺是一種異常現象，它可以像虛構人物夏洛克·福爾摩斯透過專注於一個不同尋常的事實來偵破犯罪謎題一樣，為神經科學家揭示大腦神秘運作的線索。想想短語“沒有叫的狗”（在阿瑟·柯南·道爾爵士的短篇小說《銀色馬》中）或丟失的啞鈴（在柯南·道爾的《恐怖谷》中）。
也許最著名的此類視覺戲法是幾何光學錯覺。在龐佐錯覺（a）中，義大利心理學家馬里奧·龐佐於 1913 年首次展示，一條水平線看起來比另一條水平線短，儘管它們是相同的。在繆勒-萊爾錯覺（b，在對面頁）中，由德國精神病學家弗朗茨·繆勒-萊爾於 1889 年建立，由發散箭頭界定的線看起來比由會聚箭頭界定的線短——儘管它們也是相同的。
這些錯覺非常熟悉，但卻非常強大；瞭解真實的線段長度並不能阻止或減弱它們的效果。我們對造成這些錯覺的原因有什麼瞭解嗎？為什麼視覺系統會堅持犯錯，即使我們有意識地知道這是一個把戲，也要錯誤地感知如此簡單的東西？在我們探討這些問題之前，讓我們再介紹兩個眼睛謎題。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
在第 18 頁的d中，我們看到一片陰影圓盤，它們看起來像是分散在空腔中的雞蛋。頂部光亮的圓盤看起來像凸起或雞蛋，其他的則像空腔。這種深度感來自於您的視覺系統的一個內建傾向，即假設光線從上方照射下來（畢竟，我們是在一個頭頂只有一個太陽的星球上進化而來的），正如我們在之前的專欄文章[“眼見為實”，《大眾科學·思想》，第 14 卷，第 1 期，2004 年]中所描述的那樣。因此，大腦將頂部較亮的圓盤解釋為像雞蛋一樣圓潤，而將底部較亮的圓盤解釋為空腔（因為如果從上方照射，空腔的底部會是亮的）。在第 18 頁的e中，陰影梯度從左向右變化，深度感遠不如之前那樣強烈（標記看起來更平坦），並且更“雙穩態”（單個圓盤同樣有可能被視為凸面或凹面，並且光源可以被視為來自任一側）。
到目前為止一切都好。但我們也注意到，對於球體而言，感知到的亮度梯度——每個圓盤最亮和最暗部分之間的明顯亮度差異——似乎比對於隕石坑而言更淺。對於頂部光亮的圓盤而言，亮度梯度也顯得不如側面光亮的圓盤那樣陡峭。為什麼？每個陰影圓盤的物理梯度完全相同（為了說服自己，請旋轉紙張）。
恆常性聯絡
這兩組錯覺，幾何光學錯覺和梯度陡峭度型別，看起來完全無關。但兩者都揭示了視覺中的一個基本原則，稱為知覺恆常性。這種效應是指，儘管對於某個物體可能會出現極其可變的視網膜影像（這些影像是由視角、距離、照明和其他變數的變化引起的），但我們傾向於正確地觀察到該物體具有恆定的物理屬性（大小、形狀、顏色、亮度、距離等等）。這一點並非微不足道。與攝像機不同，我們的大腦不僅僅“讀取”視網膜影像來感知物體。相反，我們根據知識和背景來解釋它。例如，恆常性在照明變化的情況下引導我們。信不信由你，報紙的黑色墨水在陽光下觀看時具有比在光線充足的房間裡晚上觀看時白紙更高的絕對亮度（透過光度計測量的物理光強度）[參見艾倫·吉爾克里斯特的“黑白視覺”；《大眾科學·思想》，六月/七月]。然而，我們認識到物體的真實特徵及其相對亮度：儘管照明條件不同，我們仍將其體驗為白紙上的黑色字型，並且實際上無法感知絕對亮度。
另一個與我們的幾何錯覺更相關的例子是尺寸恆常性，或者將物體識別為尺寸恆定的傾向，無論它離我們是近還是遠。如果您觀看一個人朝您跑來，他在您視網膜上的影像會放大，儘管您並沒有看到他膨脹。您的大腦會無意識地考慮距離並正確地解釋尺寸。同樣，如果一個人躺在地上，腳朝向您伸出，他的腳在視網膜上的影像是頭部的兩倍大，但您不會看到一個頭部過小而腳巨大的畸形人。您看到的是一個身材比例正常的人，他的腳比頭部更靠近您。
但是尺寸恆常性如何解釋我們的幾何錯覺呢？這種現象源於一種稱為線性透視的深度線索，每個視覺藝術家都對此很熟悉。當一個尺寸恆定的物體離您越來越遠時，它會在您的視網膜上投射一個較小的影像。這種縮小隻是簡單的光學結果；它與感知無關。現在考慮一下，當您站在平行的鐵軌中間並將目光沿著它們的長度方向投射時會發生什麼。鐵軌保持平行，它們之間的枕木沿其長度方向的尺寸恆定，但由此產生的視網膜影像或任何二維投影（例如照片或線條圖）都顯示鐵軌之間的空間和相應的枕木尺寸隨著距離的增加而縮短。同樣，這個結果來自簡單的光學原理，而不是感知。在感知世界中，我們的大腦在很大程度上糾正了這種線性透視，我們將鐵路解釋為筆直和平行的，並將枕木解釋為尺寸恆定的。您正確地將尺寸變化歸因於距離，而不是尺寸的變化。
匯合
現在再看一下龐佐錯覺。考慮會聚線；像鐵軌一樣，它們暗示著平行線延伸到遠處。像鐵路枕木一樣，水平線段是在這些會聚線的背景下解釋的，因此被視為存在於不同的距離處。然而，在龐佐錯覺中，兩條水平線段被繪製成完全相同的長度（不像鐵路枕木，它們的尺寸隨著距離的增加而變小）。由於它們是在會聚線的背景下解釋的，並且看起來位於不同的距離處，因此大腦應用了恆常性校正，因此頂線看起來比底線長。這就像大腦推理：“一條水平線更遠，所以如果它與另一條水平線的物理長度相同，它應該在我的眼睛中投射一個較小的影像。但由於影像尺寸相同，它一定是由一條更長的、更遠的線產生的。”即使觀察者可能沒有從會聚線中獲得任何深度感，這種校正也會發生。
由於頂線被特意繪製成與底線相同的長度，因此大腦錯誤地應用了這種恆常性規則，您會感覺到它看起來異常地長。底線的情況正好相反；它看起來人為地短了。英國布里斯托大學神經心理學榮譽教授理查德·L·格雷戈裡將這種現象稱為不適當的恆常性縮放。您的視覺模組，負責深度、距離和尺寸，以自動駕駛模式執行任務，無需您有意識地思考。即使我用尺子向您展示這兩條線段是相同的，這種高層次的有意識知識也無法“糾正”恆常性機制從下向上發出的訊號。
格雷戈裡還為繆勒-萊爾錯覺提出了一個令人愉快的尺寸恆常性解釋。他指出，這種錯覺的輪廓與觀察建築物外邊緣或房間內角時遇到的輪廓相同（c，在前一頁）。在三維世界的這種二維投影中，房間的內角被視為更遠；尺寸縮放被觸發，併產生對不同線段長度的錯誤感知。與龐佐錯覺一樣，雖然這個圖形暗示了深度，但不必有意識地體驗到深度。格雷戈裡提出，透視線直接設定恆常性縮放，因此距離判斷是不必要的。
現在讓我們回到雞蛋和空腔。我們已經解釋了深度錯覺是基於光線從上方照射下來的內建假設。但是，為什麼與側面光亮的圓盤或底部光亮的空腔相比，頂部光亮的雞蛋在表面反射率（亮度）方面看起來更均勻？在這裡，我們需要呼叫亮度恆常性的類似現象——大腦提取物體表面真實反射率的能力，而不是由照明引起的亮度變化。
首先，考慮頂部光亮的雞蛋。大腦假設太陽在您上方，而一個真正的雞蛋會傳遞完全相同的亮度變化模式——亮度梯度從頂部逐漸減小到底部。因此，您將其視為雞蛋或凸起，而不是扁平的陰影圓盤；這是“最佳擬合”假設。但隨後大腦實際上說：“亮度變化——頂部光亮——顯然不是來自物體本身，而是由於從上方照射的方式，所以我將把它視為反射率均勻。”這種亮度恆常性的效應意味著，如果您沒有在顯示屏中看到深度，就不會有亮度恆常性，實際上您會看到頂部比現在看到的要亮得多，而底部則要暗得多。
現在，為什麼同樣的論點不適用於e中看到的側面光亮的雞蛋，特別是考慮到亮度梯度完全相同？這是因為大腦不習慣側向照明。因此，深度印象較弱，亮度變化（亮度恆常性）的校正也相應較弱。因此，感知到的亮度梯度看起來比d中頂部光亮的雞蛋更陡峭。同樣的推理適用於空腔。由於內部反射現象（光線從真腔的內壁反射，部分抵消了照明產生的梯度），大腦“期望”空腔中的照明梯度小於雞蛋中的照明梯度。因此，它僅對前者施加弱恆常性校正。這種較溫和的校正在現實世界中就足夠了，但d中人造空腔的陰影在物理上與雞蛋的陰影相同（儘管是倒置的）。因此，感知到的亮度梯度高於雞蛋的梯度。第二個原因是空腔不如凸起常見，因此視覺系統不太擅長這種恆常性校正。
我們提出了這些複雜的論點，以強調即使是世界統計資料的極其微妙的方面也被作為規則構建到視覺系統中。我們可以設計非常簡單的顯示，從中我們可以使用線索——就像夏洛克·福爾摩斯一樣——來幫助解決視覺感知的奧秘。