重力，这个地球上恒定不变的物理量，早已深深嵌入人类进化与认知的底层逻辑，塑造着我们对世界的基础认知。当我们闭上眼睛，松开手中物品，脑海中会下意识地默认它垂直向下坠落；身处陌生之地，无需思索，便认定头顶方向为上，脚底方向为下；日常倒水时，水流呈抛物线下落的画面，也在我们的预期之中，而非毫无规律地直线流动或四处扩散。这些看似理所当然的认知，共同构建起人类与世界互动的基本操作框架。
如今，随着人类探索的脚步迈向太空，当我们要长期置身于失重或微重力环境时，不禁让人好奇：我们的大脑，是否早已将地球重力设为运动感知的潜在标尺？这种深深扎根于进化历程中的固有认知，又会怎样影响我们对复杂运动信息的判断呢？
2025 年 7 月，中国科学院心理研究所蒋毅研究组开展了一项别具一格的实验，首次为我们揭开了这一谜题的神秘面纱。研究团队巧妙地将自然重力加速度线索融入经典的 “运动感知任务”，研究结果表明，视觉系统竟能自动捕捉局部运动中的重力暗示，并像拼图一样，迅速整合出全局方向。或许，这正是人类在地球上能够瞬间看穿物体下落轨迹的关键所在。
基于心理物理法的运动感知测量
心理物理法，作为心理学与感知科学领域的重要研究手段，致力于量化主观感知与客观物理刺激之间的关系。其核心在于，通过精准测量个体对物理刺激的感知阈值或辨别能力，层层剖析感知系统的内在运行机制。在本次研究中，研究者运用心理物理法精心设计了 5 个实验，高效且精确地测量参与者对连贯运动方向的感知阈值。
在实验 1 – 4 里，参与者需要发挥想象力，假想自己正坐在一条隧道的一端，在隧道另一端很远处，有一个带有透视绘图背景屏幕的方形区域，区域两侧站着两个人物，这两个人物的存在，是为参与者预估屏幕上物体实际大小提供参考依据。实验开始前，参与者会被告知隧道高度为 3 米，靠近隧道的两个人物身高为 1.8 米，借助这些信息，参与者能够感知到刺激物正以重力加速度在远处移动。
在方形区域内部，分布着 400 个移动的点，这些点分为信号点和噪声点两类。信号点均沿着同一垂直方向，进行向上或向下的加速、减速移动。其中，加速向下与减速向上的运动，符合自然重力运动规律，被设定为 1g 条件；而加速向上和减速向下的运动，则与自然重力运动背道而驰，被称为反转重力方向，即−1g 条件。噪声点的运动较为复杂，除了垂直向上和向下移动外，还会以随机方向移动。
在实验 1 中，为探究在恒定速度噪声点背景下，重力方向对连贯运动感知的影响，研究者将刺激区域设定为 8 度乘以 8 度的视觉角度，让信号点按照自然重力或反转重力进行加速运动，方向为向上或向下，噪声点则以恒定速度，在非垂直方向随机运动。实验 2 中，为进一步检验当噪声点与信号点加速度相同时，重力方向是否依然对感知有促进作用，研究者让噪声点以与信号点相同大小的加速度随机运动。实验 3 里，为验证在动态变化的刺激条件下，重力方向的影响是否稳定，研究者设置每个点的寿命随机，点消失后会重新出现。实验 4 中，为探究在更大刺激区域和更高速度环境下，重力方向的影响是否依旧存在，研究者将信号点与噪声点数量增加到 900 个，刺激区域扩大为 15 度乘以 15 度的视觉角度，平均速度提升至之前实验的 2.3 倍。
每次实验开启，方形屏幕中心会率先出现一个固定十字，持续时间为 500 毫秒，随后移动的点显示 1000 毫秒，接着是 100 毫秒的空白间隔。之后，屏幕上会呈现一个 “？” 符号，此时参与者需通过按下相应按键，判断这些一致运动的点的方向是向上还是向下。
为了检验在接近真实世界的显示条件下，重力方向的影响是否仍然存在，研究者让参与者坐在距离 1.9 米高的投影屏幕 7 米外的位置，将运动刺激画面直接投射到屏幕上，且不带有透视效果的背景图。
最终，研究团队运用 QUEST 方法，对每位参与者的相干运动感知阈值进行测量。QUEST 方法是一种基于贝叶斯自适应的心理测量程序，在每个条件的首次实验中，初始一致性水平设定为 80%。随后，依据 QUEST 程序计算出的阈值分布，结合参与者的反应，对每次试验的一致性水平进行灵活调整。信号点的最小和最大百分比被限定在 1% 至 80% 之间。经过 40 次实验后，以 75% 的准确率估算出每种条件下参与者最终的感知阈值。这种高效且精准的测量手段，为后续研究发现筑牢了坚实的方法学根基。
视觉系统中的重力优先效应
实验结果通过点线图与柱状图清晰呈现。点线图里，每个点代表一位参与者在自然重力（1g）或反转重力（-1g）条件下的运动相干阈值数据，三角形符号表示组均值，与柱状图中的柱子顶部对齐，连线则用于连接同一实验中自然重力与反转重力条件下的值，直观展现重力方向对阈值的影响。柱状图展示的是每种情况下的平均运动相干阈值，将重力方向对感知能力的量化影响清晰揭示。阈值越低，意味着参与者的感知能力越强，对全局运动的感知也就更为敏锐。
在恒定速度噪声背景下，参与者对自然重力方向（1g）的感知阈值，明显低于反转重力方向（-1g）。这表明，自然重力方向的运动更容易被参与者整合为连贯运动，而且相较于 “往上飘” 的物体，“往下掉” 的物体更容易吸引参与者的注意力。
此外，为排除干扰因素，研究者将噪声点设置为和信号点一样具有加速度的运动，结果显示自然重力的优势依然稳固，这充分说明该效果并非由加速度的有无来区分，而确实与重力方向紧密相关。
为使画面更具动态性，研究者将画面中的点设计成寿命随机，即有的点很快消失，有的点存在时间更久，即便如此，自然重力的优势依旧未变，这表明该效果稳定性极佳，不会因刺激变得复杂而受影响。
研究者进一步扩大刺激参数，模拟更复杂的场景，将画面区域扩大，加快点的运动速度。结果显示，自然重力方向的运动依然更易被参与者识别，不过此次 “往上飘” 和 “往下掉” 的差异消失了。
最后，研究者直接采用投影仪将画面投射到大屏幕上，模拟真实观看远处隧道的场景，结果自然重力的优势仍然存在，这充分证明此效应在真实场景中同样稳定可靠。
综合来看，无论背景噪声是否包含加速度、点的存在时间是长是短、刺激场景是在虚拟环境（计算机屏幕）还是真实世界（全尺寸投影）中呈现，人们始终更容易整合并辨别符合自然重力作用的运动信号。
大脑的重力先验模型如何影响现实科技？
人类视觉系统借助内在的重力先验模型，能够自动整合局部运动信号中的重力方向线索，进而优化对全局连贯运动的感知。这一重大发现，不仅成功解开了认知科学领域的一道谜题，更有望在多个领域引发颠覆性变革，催生出一系列创新性应用。
在虚拟现实（VR）设计领域，倘若 VR 游戏中的物体运动违背重力逻辑，用户在体验过程中极易出现头晕不适的症状，或者瞬间从沉浸状态中 “出戏”。基于此，VR 开发者可依据本次研究成果，模拟自然重力方向的运动轨迹来设计游戏内容，让虚拟物体的抛掷、坠落等动作更加贴近现实世界的真实表现，从而大幅提升用户的沉浸感，为用户打造更为逼真、优质的虚拟现实体验。
在航天航空领域，在微重力环境下，为航天员训练专门设计反重力模拟场景，具有重要的现实意义。通过模拟此类场景，航天员能够提前适应微重力环境下物体的运动规律，有效维持自身的空间感知能力，为执行太空任务做好充分准备，降低任务风险，提高任务成功率。
在汽车自动驾驶领域，自动驾驶系统的关键任务之一，便是快速、精准地识别行人、抛掷物等动态目标。展望未来，车载视觉系统有望集成重力感知模型，对符合自然重力的运动赋予更高的优先级进行处理，同时针对突然飞起的物体及时触发紧急预警机制。如此一来，自动驾驶系统的反应速度将大幅提升，能够更加精准地预判潜在危险，为行车安全提供坚实保障，推动自动驾驶技术迈向更高水平。
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