XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Как оптические иллюзии обманывают наш мозг?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Большую часть информации об окружающей нас действительности мы получаем благодаря зрению. Каждый из нас уверен – мир таков, каким мы его видим, но иногда эта уверенность может сыграть с нами шутку. Иллюзии наглядный тому пример.
Изучением причин возникновения оптических иллюзий занимались многие исследователи, некоторые зрительные обманы давно объяснены, другие остаются загадкой до сих пор.
Цель данной работы: выяснить, как оптические иллюзии обманывают наш мозг.
Чтобы достичь цели мною были поставлены следующие задачи:
Дать определение понятию «оптические иллюзии».
Проанализировать историю изучения оптических иллюзий.
Определить виды зрительных иллюзий.
Привести примеры и дать объяснение конкретным оптическим иллюзиям.
Провести опыты по созданию/воспроизведению некоторых иллюзий.
Провести анкетирование с целью понимания, действительно ли оптические иллюзии «обманывают» большинство из нас.
Гипотеза: Большинству оптических иллюзий можно дать научное объяснение.
Глава 1. Что такое оптическая иллюзия
Наш мозг – невероятно сложная биологическая структура, способная обрабатывать огромные объёмы информации. Анализируя обстановку, он мгновенно выделяет важные объекты, которые могут оказаться опасными или принести пользу. Но иногда наше сознание порождает иллюзии, и тогда мы можем принять один объект за другой, а то и вовсе увидеть то, чего нет.
Чтобы говорить об оптических иллюзиях для начала дадим определение этому понятию.
Оптика (в переводе с древне-греческого языка «наука о зрительных восприятиях») - это раздел физики, который изучает природу света, его свойства, закономерности распространения в различных средах, а также взаимодействие света с различными веществами.
Иллюзия (в переводе с латинского языка «заблуждение, обман») - обман чувств, нечто кажущееся, то есть искажённое восприятие реального объекта или явления, допускающее неоднозначное объяснение.
Таким образом оптическая иллюзия – это впечатление о видимом предмете или явлении, не соответствующее действительности (другими словами «обман зрения»).
Глава 2. История изучения оптических иллюзий
Л юди знакомы с оптическими иллюзиями на протяжении тысячелетий. Римляне делали 3D-мозаики для украшения дома, греки использовали перспективу, чтобы построить красивые пантеоны, и по крайней мере одна фигурка из камня времён палеолита (14000-летней давности) изображает двух разных животных, которых можно увидеть в зависимости от точки зрения.
Мамонт и бизон
История объяснения оптических иллюзий восходит к V веку до н. э., когда Эпихарм впервые представил объяснение этого явления. Эпихарм полагал, что даже если наш ум знает и понимает все ясно, органы чувств обманывают нас. Другой греческий философ того же периода, Протагор, придерживался иного мнения на этот счет. По его словам, нас дурачит окружающая среда, а не чувства. Взгляды, представленные Эпихармом и Протагором, добавили путаницы относительно того, что на самом деле является оптическими иллюзиями.
В XIX-м веке началось активное изучение свойств восприятия и особенностей органов чувств человека. Именно тогда исследователями были разработаны оптические иллюзии, которые сейчас считаются классическими.
Классические ранние иллюзии перевернули представления людей об окружающем мире — как оказалось, «верить своим глазам» можно далеко не всегда. Пионеры создания оптических иллюзий делали попытки объединить их одной общей теорией, однако они не увенчались успехом. Как позже обнаружилось, реакции человеческого мозга на оптические иллюзии гораздо сложнее и разнообразнее, чем виделось исследователям на рубеже XIX-го и XX-го столетий.
В XX веке достижения науки и техники дали специалистам возможность иначе взглянуть на проблему. Так эксперименты Торстена Визеля и Дэвида Хьюбела доказали, что за восприятие различных зон зрительного поля отвечают разные нейроны — за это открытие исследователям в 1981-м году вручили Нобелевскую премию по медицине. Дэвид Хьюбел и Торстен Визель
Чуть позже учёных за зрительные искажения взялись художники — в 1950-х годах появилось целое направление в искусстве, посвящённое оптическим иллюзиям, оно получило название оп-арт (от англ. optical art — «оптическое искусство»). Одним из основоположников оп-арта считается французский художник и скульптор Виктор Вазарели, его работы часто приводят в качестве ярких примеров оптических иллюзий.
В XXI веке интерес к зрительным иллюзиям продолжает расти — появляются новые научные теории, с помощью которых учёные пытаются объяснить механизмы возникновения оптических иллюзий.
В наше время интерес к проблеме столь высок, что на протяжении вот уже восемнадцати лет специалисты ежегодно проводят конкурс на лучшую оптическую иллюзию.
Глава 3. Виды оптических иллюзий
Универсальной классификации зрительных иллюзий не существует, так как механизмы и причины их появления довольно разнообразны.
Но все оптические иллюзии в зависимости от их происхождения можно разделить на три вида:
- естественные, или созданные природой (например, миражи);
- искусственные, или придуманные человеком (такие как фокусы иллюзионистов);
- смешанные, то есть естественные иллюзии, воссозданные человеком. Это самый большой раздел иллюзий. Он включает в себя известные иллюзионные картинки, различные модели и т.д.
Между естественными и искусственными иллюзиями есть существенное различие. Если иллюзия придумана человеком, то она обязательно имеет конструктивный секрет и после сообщения его наблюдателю во многом теряет свою загадочность. Естественные же и смешанные иллюзии не изменяют силы своего воздействия, независимо от того, знает наблюдатель их секреты или нет.
Глава 4. Почему наш мозг обманывается?
Веками эволюция совершенствовала механизмы восприятия. Наши глаза и кора головного мозга работают на удивление слаженно и тонко. Однако и в этой работе бывают сбои из-за которых возникают оптические иллюзии зрения.
Чтобы не тратить время и энергию на обработку многократно увиденных образов, в мозгу сохраняются шаблоны. Благодаря этому мы быстро читаем, неосознанно воспроизводя знакомые нам буквы, а также «распознаем» очертания привычных образов в хаотичных линиях. В некоторых случаях мозг будет «дорисовывать» картинку, дополняя ее теми деталями, которые помогут воссоздать привычный шаблон. Часто именно поэтому и возникают различные оптические иллюзии зрения. Рассмотрим самые известные из них.
4.1 Иллюзия контраста
Одной из классических иллюзий, получившей большую популярность еще в XIX-м веке, является иллюзия Эббингауза.
Е сли окружить объект мелкими деталями, на их фоне он будет крупным, тогда как такой же объект, но среди крупных деталей, будет казаться мельче. Наглядное доказательство перед нами (оранжевые кружки на самом деле одинаковые).
Иллюзия с кругами объясняется действием закона контраста, предмет будет казаться больше своей реальной величины на фоне мелких предметов, и наоборот.
4.2 Иллюзия восприятия глубины
В иллюзии Понзо две горизонтальные линии одинакового размера кажутся разными. Верхняя горизонтальная линия выглядит длиннее, потому что мы представляем сходящиеся «рельсы» как параллельные линии, уходящие в даль.
Н аш мозг привык считать, что чем дальше объект от нас находится, тем меньше он должен становиться. Как результат — ошибка в восприятии, ведь горизонтальные линии абсолютно одинаковые.
По той же причине на изображении с бегущими человечками фигура «на заднем плане» нам кажется больше. В данном случае сходящиеся линии наш мозг представляет как стены, которые остаются параллельными и уходят вдаль.
4.3. Цветовые оптические иллюзии
О дной из самых распространенных иллюзий является игра с цветом. При правильном сочетании, один и тот же цвет может восприниматься нами по-разному. Посмотрим на изображение девочки. На самом деле, ее глаза одного цвета, но смена фона создает иллюзию, что глаза разные.
Ниже еще один образец, как наш мозг обманывает сам себя. Клетки А и В одинаковые, хотя нам кажутся серой и белой. Это оптическая иллюзия восприятия цвета, опубликованная профессором Массачусетского технологического института Эдвардом Адельсоном в 1995 году.
Э то, кстати, еще один классический пример шаблонного восприятия. Наш мозг «знает», что в тени предметы темнее, чем есть на самом деле, а шахматные клетки делятся на белые и черные. Поэтому он упорно «раскрашивает» клетку B в белый цвет.
4.4 Комната Эймса
Одной из интереснейших трехмерных иллюзий является комната Эймса. Комната визуально выглядит как прямоугольник.
Оптическая иллюзия заключается в том, что стоящий в одном углу человек выглядит, как великан, а в другом – как карлик.
С екрет комнаты Эймса состоит в определенном расположении ее стен. Так, наиболее удаленная от зрителя сторона находится под острым углом к одной стороне и под тупым к другой. Поэтому и получается иллюзия того, что люди, стоящие в разных углах, кажутся разного роста и размера.
4.5 Тауматроп
Тауматроп – это первая оптическая игрушка, которая была популярна в 19 веке.
Слово тауматроп состоит из двух греческих корней — чудо и вращение.
Считается, что с тауматропа начинается история кино и анимации. Эта игрушка основана на оптической иллюзии: при быстром вращении кружка с двумя рисунками, нанесенными с разных сторон, наш глаз воспринимает сразу оба изображения, в нашем восприятии оба изображения оказываются совмещенными. Если нарисовать с одной стороны картонки птицу, а с другой клетку, то при вращении нам кажется, что птичка окажется в клетке.
В 1825 году игрушка поступила в продажу, и спрос на новинку был колоссальным.
Но и в наши дни тауматроп по-прежнему вызывает интерес детей и взрослых. Что важно, его легко сделать самому.
На уроке труда мы с классным руководителем предложили моим одноклассникам сделать данную игрушку самостоятельно. Ребята с удовольствием занимались изготовлением игрушки и остались очень довольны результатом.
Глава 5. Создание иллюзий самостоятельно
Я решил провести самостоятельно несколько опытов по созданию/воспроизведению некоторых иллюзий.
5 .1 Сломанная ложка
Для опыта возьмем стакан с водопроводной водой и опустим в него ложку. Если посмотреть на стакан сбоку, на границе воды и воздуха ложка выглядит сломанной.
П ричина заключается в различной плотности воды и воздуха. Переходя из одной среды в другую — из менее плотного воздуха в более плотную воду, лучи света преломляются, изменяют прямолинейный путь, причем отклоняясь в сторону более плотной среды. Это закон физики.
5.2 Изменение направление стрелок
Д ля опыта возьмем стакан с водопроводной водой и лист бумаги с нарисованными стрелками. Будем смотреть сквозь стекло на стрелочки.
Н аполним стакан на треть, та стрелка, что оказалась «под водой» изменила направление на противоположное и вытянулась по горизонтали.
Добавим воды в стакан выше уровня стрелок, теперь обе стрелки изменили первоначальное направление.
Э то происходит потому, что наполненный водой стакан выступает как линза. Проходящие через нее лучи сходятся в одну точку(фокус), а затем расходятся. При этом за точкой фокуса создается перевернутое изображение.
5.3 Иллюзия «пятно на ладони»
Для опыта берем свернутую из листа бумаги трубочку и смотрим сквозь нее правым глазом, а левую ладонь приставим вплотную к дальнему концу трубки. Левым глазом смотрим на ладонь. Создается впечатление, что на левой ладони появилось пятно.
Видимая через отверстие трубки картинка, накладывается на изображение ладони в другом глазу. Мозг получает от каждого глаза разные картинки и объединяет изображения, поэтому мы видим пятно на левой ладони.
5.4 Иллюзия прозрачного ножа
Д анная иллюзия вошла в десятку лучших иллюзий 2020 года. Она была обнаружена ученицей средней школы Блейз Балас во время обеда. Для опыта потребуются обычные кухонные нож и вилка. Помещаем нож вертикально между зубцами вилки, и нож кажется прозрачным.
Данный опыт — это не только практическая визуальная иллюзия, которую вы можете опробовать, когда в следующий раз будете обедать. Это также напоминание о том, что научные открытия могут случаться в самых неожиданных ситуациях. Все, что для этого нужно — это обычные предметы, свежий взгляд и внимательный наблюдатель.
5.5 Оптические иллюзии в фотографии
Фотография с использованием зрительных иллюзий в наше время очень популярна, наверное, потому что нам всем нравится разгадывать загадки. И даже если наше замешательство длится пару секунд, задор, получаемый от попыток найти объяснение происходящему на фото, подстегивает нас рассматривать еще больше таких фото.
В от и я опробовал свои силы в данном виде искусства.
Необычные фотографии получаются на основе простого оптического обмана, когда близкие предметы отдаляются, а дальние – приближаются, большие объекты кажутся меньше, а маленькие больше; а также от изменения угла зрения.
Глава 6. Анкетирование
Вместе с классным руководителем мы провели анкетирование ребят нашего класса для понимания, действительно ли оптические иллюзии «обманывают» большинство из нас. Мы показали три иллюзии (Цветовую иллюзию с шахматной доской, Иллюзию Понзо с человечками и Иллюзию Эбингауза с кружками).
Вопросы/ответы:
Результаты анкетирования показали правильность нашего предположения: действительно, оптические иллюзии вводят в заблуждение большинство из нас.
Заключение
Чаще всего глаз считают похожим на фотоаппарат или телекамеру, однако, мы смотрим глазами, а видим мозгом. Часто то, что мы видим обманчиво, и многое оказывается совсем не тем, чем кажется на первый взгляд. Даже самые простые вещи могут таить в себе неожиданные открытия, нужно только присмотреться.
В процессе проведения своей работы я нашел две основных причины возникновения обмана зрения:
Законы физики (преломление и отражение лучей света)
Шаблонное восприятие (именно этой причиной объясняется большинство рассмотренных мною иллюзий).
Итак, я добился той цели, которую ставил перед собой в начале исследования: выяснил на конкретных примерах, как оптические иллюзии обманывают наш мозг.
Таким образом, я подтвердил выдвинутую в начале исследования гипотезу о том, что большинству оптических иллюзий можно дать научное объяснение. Однако существует еще немало иллюзий, причины возникновения которых до конца не объяснены.
Изучая литературу по данной теме, я узнал, как можно самому создавать оптические иллюзии, проводить разные эксперименты. Эти знания помогут мне лучше понимать некоторые природные явления и устройства некоторых предметов.
Тема оптических иллюзий обширна и до конца не изучена, причины многих явлений полностью не выяснены, следовательно, впереди нас ждет еще много полезной информации и интересных открытий!