Szprychy pędzącego roweru stoją w miejscu lub kręcą się do tyłu? Czarny wyszczupla? Rysunki w stylu op-artu wirują raz w lewo, raz w prawo? Grafiki ilustrujące ten artykuł mogą być świetną rozrywką, a jednocześnie pokazują, jak łatwo oszukać ludzki zmysł wzroku. Czy możemy się nauczyć patrzeć tak, aby zobaczyć to, co jest naprawdę? „Nie zawsze jesteśmy świadomi, że ulegamy iluzji, ale nawet jeśli zdajemy sobie z tego sprawę i znamy logiczne wyjaśnienie złudzenia, to niekoniecznie staniemy się na nie »odporni«. Zresztą, po co mielibyśmy się uczyć nieulegania iluzjom?” – mówi dr Wioletta Waleszczyk z Instytutu Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego. W końcu całe nasze postrzeganie świata przypomina oglądanie optycznych trików.
 

Wszyscy jesteśmy ślepi

Na co dzień widzimy świat w sposób o wiele mniej doskonały, niż nam się wydaje. Przykładem może być działanie plamki Marriotte’a, zwanej plamką ślepą. Powierzchnia oka jest pokryta fotoreceptorami postrzegającymi zmiany natężenia światła (to one „rysują”  na siatkówce obraz tego, na co patrzymy). Impulsy ze wszystkich fotoreceptorów są przesyłane do plamki ślepej, skąd nerwem wzrokowym biegną do mózgu, który interpretuje obrazy. W plamce ślepej nie ma miejsca na fotoreceptory, więc nie powstają tam obrazy. Plamki obu oczu są umieszczone tak, aby fragment świata, którego nie widzi jedno oko, był wypełniany przez to, co widzi drugie.

Kto nie wierzy, że jest częściowo „ślepy”, może przeprowadzić eksperyment. Należy zasłonić prawe oko i ustawić palec na wysokości wzroku, na osi lewego oka, mniej więcej 30 cm od nosa. Potem wystarczy odchylić palec w prawo o mniej więcej  15 stopni, a czubek palca „zniknie”. Trzeba pamiętać, aby cały czas patrzeć prosto przed siebie. Dlaczego zatem na stronach „Focusa” czytanego jednym okiem nie widzimy dziury? Bo mózg na podstawie wcześniejszych doświadczeń wypełnia lukę obrazem, który wydaje mu się najbardziej prawdopodobny – dlatego miejsce „znikającego” czubka palca wypełnia tło, a raczej to, co mózg uznaje, że tłem być powinno.
 

 

To jeden z wielu sposobów mózgu na samooszukiwanie. Nie wiemy, że nie widzimy, nie otrzymujemy informacji o tym, który fragment obrazu jest domniemany, nie staje się bardziej rozmazany ani nie jest oznaczony specjalnym kolorem. Między innymi ze względu na tę niedoskonałość wzroku mózg wyspecjalizował się w wypatrywaniu przedmiotów czy twarzy i identyfikowaniu ich z przedmiotami i twarzami, które zna. Zdolność mózgu do wypełniania luk i tworzenia obrazów na podstawie fragmentów informacji umożliwia nam szybsze i bardziej zdecydowane działanie. Dzięki temu w tłumie dostrzegamy znajomych, a w karykaturach – znane postacie. Dlaczego mózg pozwala sobie na takie interpretacje? „Jest bardziej prawdopodobne, że popełnimy błędy (i że doznamy halucynacji lub złudzeń), lecz to niewielka cena za wyzwolenie się od bezpośrednich bodźców jako jedynego czynnika określającego nasze zachowanie, które byłoby wtedy podobne do zachowania owadów, bezradnych w nieznanym środowisku. Żaba ginie z głodu otoczona przez martwe muchy” – tłumaczy prof. Richard Gregory z University of Bristol w książce „Oko i mózg”.
 

Matka Boska Naszybna

Szczególnie silną skłonność mamy do dostrzegania twarzy. Widzimy je nawet tam, gdzie ich nie ma, na przykład Matka Boska „objawia się” na szybie, ludzką fizys identyfikujemy na zdjęciu powierzchni Marsa czy w masce samochodu. Jesteśmy nawet gotowi określić, jaki „wyraz twarzy” czy „nastrój” ma auto. Ta tendencja to z kolei cena za nasze uspołecznienie i możliwość szybkiego i adekwatnego reagowania na emocje osób, z którymi przebywamy. Przejawiają ją już niemowlęta, które wolą się przyglądać ludzkim obliczom niż czemukolwiek innemu, co potwierdzają wszystkie prowadzone dotychczas eksperymenty. Jak to się dzieje, że dostrzegamy ludzkie twarze na obrazach Giuseppe Arcimbolda, włoskiego szesnastowiecznego malarza, choć malował on głównie  zawartość spiżarni wegetarianina?

Odpowiedź na to pytanie znaleźli Winrich Freiwald i Doris Tsao, neurolodzy z Harvard University, odkrywając w mózgu neurony wyspecjalizowane w rozpoznawaniu oczu, nosa i ust. Fotoreceptory na powierzchni oka oglądającego obrazy Arcimbolda przesyłają do mózgu
informacje, które pobudzają neurony odpowiedzialne za rozpoznawanie elementów twarzy. Te elementy – wstępnie rozpoznane jako usta, policzki, wąsy – są ułożone w stosunku do siebie tak jak na obiektach, które wcześniej mózg zaliczył do kategorii „twarze”. W tym samym czasie inne części mózgu dopasowują sygnały dostarczone z fotoreceptorów do poznanych kiedyś wzorów ogórka, gruszki i czosnku. Mimo że obraz na siatkówce się nie zmienia, w obrazach Arcimbolda możemy oglądać albo niezbyt urodziwe twarze, albo ofertę warzywnego bazarku – nasz mózg nie daje nam możliwości podziwiania obu interpretacji jednocześnie.
 

 

Mimo że złudzenia optyczne to błędy popełniane przez mózg podczas interpretacji obrazu, możemy je wykorzystać z pożytkiem dla nas. Chodzenie na rękach optycznie wyszczupli twarz osoby z nadwagą, ale grozi kontuzją. Na szczęście istnieją prostsze sposoby na wykorzystanie iluzji do poprawiania urody. Richard Russell, psycholog z Harvard University, zestawił obok siebie dwie identyczne twarze o androgenicznych cechach. Mimo to jedna jest rozpoznawana jako twarz kobiety, druga – mężczyzny. Jedyną cechą różniącą zdjęcia jest kontrast – jaśniejsza twarz o ciemniej zarysowanych oczach i ustach jest uznawana za kobiecą, ta, w której zastosowano mniejszy kontrast, za męską. To tłumaczy, dlaczego w tak wielu kulturach kobiety stosują makijaż – zwiększenie kontrastu wystarczy, by podkreślić kobiecość. Główną przyczyną tego, że dajemy się wprowadzić Russellowi w błąd, jest skłonność mózgu do posługiwania się stereotypami.
„To nie iluzja optyczna, ale zabawa z naszymi oczekiwaniami dotyczącymi cech męskich i kobiecych twarzy” – wyjaśnia Richard Russell.

Prawdę o tym, że czarny wyszczupla, odkrył już Leonardo da Vinci. „Widziałem kobietę ubraną na czarno z białą opaską na głowie, przy czym opaska wydawała się dwa razy większa niż szerokość pleców kobiety” – napisał, gdy badał irradiację. To zjawisko powodujące, że elementy jasne postrzegamy jako większe niż ciemne. Spirala żarówki wydaje się grubsza, gdy żarówka się świeci, a cieńsza, kiedy odetniemy dopływ prądu. Irradiacja ma dwie przyczyny. Po pierwsze fotoreceptory na siatkówce oka są połączone w grupy, podrażnienie światłem fragmentu siatkówki pobudza większy obszar niż w wypadku „odbicia” na siatkówce obrazu ciemnego przedmiotu. Rozmiar jasnego przedmiotu zwiększa się w naszych oczach kosztem rozmiaru tła lub znajdującego się obok ciemniejszego przedmiotu. Po drugie na granicy światła i cienia światło ugina się w stronę cienia (to zjawisko nazywane dyfrakcją światła) – dlatego zachodzące Słońce zdaje się częściowo zasłaniać linię horyzontu.
 

Podstępna perspektywa

„Wielkość przedmiotów oceniamy według tego, co wiemy lub sądzimy o ich odległości. (…) Bezwzględna wielkość obrazów nie liczy się. Oczywiście, jest ona sto razy większa, kiedy przedmiot jest bardzo blisko nas, niż kiedy znajduje się w odległości dziesięciokrotnie większej, lecz nie powoduje to, że widzimy przedmioty jako sto razy większe (…); przeciwnie, ich wielkość w obu przypadkach wydaje się niemal jednakowa” – pisał Kartezjusz o zjawisku nazywanym dziś prawem stałości oceny wielkości. Aby się przekonać, jak ono działa, wystarczy spojrzeć na swoje dłonie – jedną wyciągniętą przed siebie na długość ramienia, a drugą umieszczoną w połowie tej odległości. Obie wyglądają, jakby miały tę samą wielkość. Dzieje się tak, mimo że obraz dalszej dłoni zajmuje na siatkówce o połowę mniejszą powierzchnię niż ta, którą przysunęliśmy bliżej (jak pamiętamy z lekcji fizyki, obraz przedmiotu podwaja swe rozmiary, gdy jego odległość zmniejsza się o połowę). Aby doświadczyć tego, jaki obraz na siatkówce zajmują nasze oddalone od siebie dłonie, wystarczy bliższą dłoń częściowo nałożyć na dalszą – wtedy zobaczymy, co widzimy naprawdę.

Z prawa stałości oceny wielkości musieli zdawać sobie sprawę już starożytni Egipcjanie. Gdy ustawiali obeliski przed wejściem do świątyni w Luksorze, mniejszy umiejscowili bliżej obserwatora niż większy, aby wyglądały na proporcjonalne. Właśnie to prawo jest odpowiedzialne za klasyczne złudzenie Ponza, zwane też złudzeniem torów kolejowych. Górny z dwóch równych odcinków uznajemy za dłuższy niż dolny, bo boczne kreski sugerują mózgowi, że ogląda tor kolejowy w perspektywie. To powoduje, że linie poziome również uznajemy za przedstawione w perspektywie, a więc dalszy odcinek musi być większy, mimo że na soczewce oka tworzy taki sam obraz. Zasady perspektywy pierwszy jasno wyłożył dopiero Leonardo da Vinci.

To zaskakujące, bo przecież oczy zawsze postrzegały świat perspektywicznie. Najważniejsze, że zrozumieliśmy perspektywę, zanim wynaleziono kamerę. „Inaczej moglibyśmy mieć wiele trudności z przyjmowaniem fotografii jako czegoś innego niż obrazu dziwacznych zniekształceń. Skierowanie kamery ku górze, w celu objęcia wysokiego budynku, powoduje wrażenie, że budynek na fotografii jakby przewraca się (…). A przecież jest to właściwa perspektywa” – zauważa Richard Gregory w książce „Oko i mózg”.

 

Na skrzyżowaniach białych pasów siatki Hermana pojawiają się szare lub czarne kropki. Gdy utkwimy wzrok na jednym ze skrzyżowań, w tym miejscu przestaną się pojawiać nieistniejące plamki. Ten efekt jest wynikiem tzw. hamowania obocznego. Przyczyną tego zjawiska jest fakt, że fotoreceptory są rozłożone nierównomiernie na siatkówce – najwięcej jest ich w centralnej części, im dalej od tego punktu, tym mniej komórek postrzegających obraz. Sygnały docierające z peryferii pola widzenia są więc mniej szczegółowe. W dodatku jedne receptory mogą hamować przewodzenie sygnałów odbieranych przez inne. Tak dzieje się, gdy na peryferiach naszego pola widzenia znajdą się skrzyżowania siatki Hermana – sygnał z włókna nerwowego przewodzącego informację o białym fragmencie jest hamowany przez cztery sąsiadujące włókna, informujące o czarnych kropkach.
 

Sztuka iluzoryczna

Niedoskonałości wzroku chętnie wykorzystują artyści. Starożytni Grecy ustalili, że ludzkie oko widzi tylko dwie proste linie: linię horyzontu i tę prostopadłą do niej, przechodzącą przez tzw. punkt oczny. Soczewka ludzkiego oka nie jest płaska, lecz zaokrąglona. Dzięki temu widzimy nie tylko to, co jest na wprost przed nami, ale możemy także kątem oka zauważyć nadjeżdżające auto i zejść mu z drogi. Ceną za sferyczność soczewki jest m.in. to, że wszystkie inne linie niż dwie wymienione odginają się (obraz deformuje się tak, jak ten odbity w okrągłym szklanym abażurze). Te pozorne odgięcia są nazywane złudzeniem Herringa. Aby mu zapobiec, uwielbiający kolumny i proporcje Grecy wykorzystywali zabieg zwany entazis – kolumny okresu późnoarchaicznego i klasycznego miały wybrzuszenie narastające łagodnie do jednej trzeciej ich wysokości. Dzięki temu redukowano tworzone przez soczewkę wrażenie wklęsłości i podkreślano doskonałość proporcji. Także budowniczy placu św. Marka w Wenecji zdawali sobie sprawę z efektu złudzenia Herringa. Plac wygląda na prostokątny (choć taki nie jest) dzięki temu, że rozszerza się w kierunku bazyliki.

Wyginane przez nasze oczy granice placu wydają się proste. To, że mózg ulega iluzjom, w dużym stopniu decyduje o atrakcyjności obrazu Salvadora Dalego pod wszystko mówiącym tytułem „Gala spoglądająca na Morze Śródziemne, które z odległości dwudziestu metrów przemienia się w portret Abrahama Lincolna”. Kiedy oglądamy malowidło z bliska, dostrzegamy drobne szczegóły, z których autor stworzył figurę jednej ze swych kochanek otoczoną abstrakcyjnymi kwadratami. Gdy odsuniemy się od obrazu lub zmrużymy oczy, przestajemy dostrzegać szczegóły, a obraz budujemy z zauważalnych z daleka większych elementów.

„Wszystko, co widzimy, może być postrzegane w inny sposób. Dlatego pytam: czy wszystko, na co patrzymy, nie jest iluzją?” – zauważył Sandro del Prete, autor m.in. słynnej „Zagiętej szachownicy” („Folded Chess Set”).
Del Prete, a także Maurits Cornelis Escher urządzili ciekawą zabawę naszym wzrokiem, wprowadzając umysły osób oglądających ich obrazy w błąd za pomocą błędnej perspektywy, a także odpowiedniego wykorzystania światłocienia. Obrazy tych artystów przeczą zasadom perspektywy, więc teoretycznie nie można na ich podstawie zbudować przestrzennego modelu. Niektórzy nie byliby jednak sobą, gdyby nie spróbowali. Udało się Andrew Lipsonowi, który sam siebie nazywa profesjonalnym kujonem. Wraz z Danielem Shiu zbudował z klocków Lego konstrukcje naszkicowane przez Eschera. Oczywiście, musiał użyć podstępu – jego budowle są identyczne jak te namalowane przez grafika, ale tylko z jednego punktu widzenia.

Podobne wyzwania stawiają przed rzeźbiarzami tzw. figury niemożliwe. „Choć można je narysować, nie mogą istnieć (…). W układzie postrzegania wytwarza się obraz trójwymiarowy na podstawie informacji dwuwymiarowej. Oko otrzymuje mylącą informację o trzecim wymiarze, wskutek czego mózg zaczyna się borykać z zadaniem nie do rozwiązania” – wyjaśnia Gregory. Nie do końca ma jednak rację. Zbudowania „trójkąta niemożliwego” narysowanego przez matematyka i filozofa Rogera Penrose’a podjęli się m.in. Brian McKay i Ahmad Abas – opracowany przez nich trójkąt niemożliwy stoi w Perth w Australii. Artyści wykorzystali ten sam trik, co Lipson i Shu – figurę można oglądać tylko z jednego punktu.
 

 

Spójrzcie na ilustrację z prawej strony. Niektórzy muszą wyciąć oba kwadraty, aby uwierzyć, że mają taki sam kolor. Ta iluzja dowodzi, że nie postrzegamy kolorów takimi, jakimi są, ale oceniamy je, porównując z innymi, znajdującymi się obok. Warto zauważyć, że choć dowiedzieliśmy się, a nawet sprawdziliśmy, iż kwadraty są tego samego koloru, to wciąż postrzegamy je jako różne – mózgowi nie przeszkadza przechowywanie dwóch sprzecznych ze sobą informacji i uznawanie obu za prawdziwe. Podobnie jest na przykład z naszą wiedzą o odległości Ziemi od Księżyca. Racjonalnie myśląca kora pamięta z geografii, że przeciętna odległość od środka Ziemi do środka Księżyca to nieco ponad 384 tys. km. Jednak według pola prążkowanego (ośrodka widzenia w mózgu) Księżyc jest niemal w zasięgu ręki – dzieli nas od niego kilkaset metrów. Choć rację ma kora, pole prążkowane i tak nigdy jej tej racji nie przyzna.

Do góry nogami (szczupłymi)

Niedoskonałościom wzroku zawdzięczamy także możliwość cieszenia się z oglądania filmów. Gdyby nasz wzrok był perfekcyjny, widzielibyśmy poszczególne klatki. Wrażenie płynności ruchu zawdzięczamy zmęczeniu
fotoreceptorów. Gdy na siatkówce powstanie obraz, receptory robią przerwę na regenerację. Wyświetlanie 24 klatek na sekundę sprawia, że dajemy się oszukać i widzimy płynny ruch. O tym, że nasze oczy „robią przerwy” w dostawie obrazu do mózgu, warto pamiętać, siadając za kierownicą. Obliczono, że precyzyjnie oceniamy odległość zbliżającego się do nas pojazdu, jadąc maksymalnie z prędkością 60 km/godz. Jeśli decydujemy się jechać szybciej, nasza zdolność do oszacowania prędkości innego auta i jego odległości od nas czy dystansu pieszych od jezdni jest znacznie upośledzona. Mimo że iluzje optyczne są przedmiotem zainteresowań psychologów, okulistów, fizyków i artystów od setek lat – mechanizm działania wielu z nich pozostaje zagadką.

„Ponieważ jestem zdania, że iluzjami i »normalnym« widzeniem rządzą te same prawa, badanie iluzji jest w istocie badaniem mechanizmów percepcji wzrokowej. A te mimo licznych badań wciąż kryją wiele tajemnic” – potwierdza dr Wioletta Waleszczyk z Instytutu Nenckiego. Jedna z iluzji, które nie doczekały się wyjaśnienia, dotyczy portretów ludzi korpulentnych. Kiedy oglądamy je do góry nogami, osoby na nich przedstawione wydają się szczuplejsze niż na zdjęciach w normalnej pozycji. Szczególnie zaskakujący jest fakt, że odwrócone twarze szczupłych osób nie stają się ani szczuplejsze, ani bardziej pulchne. „Dzięki badaniom mechanizmów funkcjonowania układu wzrokowego jesteśmy w stanie wyjaśnić wiele iluzji, ale także badanie iluzji odkrywa tajniki widzenia” – podkreśla Wioletta Waleszczyk. Pułapki, które zastawia na nas nasz system widzenia, są więc przede wszystkim wskazówkami do zrozumienia tajemnic naszego umysłu.
 

 

Złudzenie związane z naszą perspektywiczno-prostokątną kulturą to tzw. sześcian Neckera. Mózg, przyzwyczajany m.in. podczas lekcji geometrii do postrzegania takich rysunków jako sześcianów w perspektywie, próbuje ustalić, która ze ścian figury znajduje się bliżej obserwatora. Nie dysponuje jednak żadnymi wskazówkami, więc wybiera na zmianę oba rozwiązania, co powoduje, że figura zdaje się przesuwać. Sześcian Neckera to jeden z przykładów na to, że patrzenie jest procesem twórczym – trudno ustalić, co tak naprawdę przedstawia rysunek, i to obserwator dokonuje interpretacji. Większość z nas wybiera jednak kwadrat położony niżej jako ten znajdujący się bliżej nas. Prawdopodobnie dzieje się tak dlatego, że na lekcjach rysunku czy geometrii zaczynamy rysować rzut sześcianu właśnie od tej strony.

Dokąd jedzie ten rower?

Zdarza się, że szprychy pędzącego roweru zdają się stać w miejscu. Jak to się dzieje, tłumaczy dr Wioletta Waleszczyk: „Według jednej z hipotez, to zjawisko wyjaśnia fakt, że postrzegamy świat stroboskopowo, tak jakby migotał. Dzieje się tak, bo patrząc, wykonujemy szybkie ruchy o małym zasięgu, tzw. miniruchy. A w czasie szybkiego ruchu gałek ocznych nasz układ wzrokowy blokuje przepływ informacji do kory mózgowej odpowiedzialnej za świadomą percepcję obrazu. Nie widzimy zatem ciągłego ruchu, ale ruch pozorny, tzn. uważamy, że obiekt się porusza, gdy zmienia położenie dość szybko i w uporządkowany sposób, np. przemieszczając się wzdłuż trajektorii. Czasowe „próbkowanie” obrazu
tłumaczy, dlaczego wydaje się nam, że w obracającym się kole szprychy się nie poruszają – zachodzi tu szczególna zbieżność między prędkością ruchu  a czasowym odstępem w próbkowaniu”.