Ảo ảnh bút chì bị bẻ cong diễn ra như thế nào?

Trong một trò chơi kinh điển của trẻ em, chúng sẽ cầm gần phần đầu một cây bút chì và lắc nhẹ để toàn bộ phần thân di chuyển lên xuống. Khi được thực hiện một cách chính xác, ảo ảnh sẽ xuất hiện với đường thẳng ban đầu của cây bút bỗng liên tục biến thành một làn sóng lắc lư.

Ảo ảnh bút chì "cao su" xảy ra với cơ chế như thế nào?

Hãy bắt đầu với cách giải thích đơn giản: Mắt và não của chúng ta đơn giản là không thể theo kịp những gì đang diễn ra. Khi ánh sáng đi vào mắt, các thụ thể được gọi là tế bào hình que và tế bào hình nón sẽ truyền tín hiệu dọc theo dây thần kinh đến não bộ, nơi xử lý các xung tín hiệu này. Giả sử mỗi tín hiệu đó như một bức ảnh, bộ não của chúng ta sẽ liên kết những hình ảnh đó lại với nhau, vì thế trông chúng có vẻ chuyển động trơn tru, hệt như khi chúng ta lật liên tục các trang sách vậy.

"Đôi mắt có xu hướng tổng hợp ánh sáng theo thời gian", Jim Pomerantz, nhà tâm lý học nhận thức, nghiên cứu nhận thức thị giác tại Đại học Rice ở Texas, cho biết.

Nhưng con người thật ra lại có hệ thống thị giác rất chậm, Pomerantz nói. Theo một nghiên cứu vào năm 2016 được công bố trên tạp chí PLOS One, con người có thể xử lý từ 50 đến 100 khung hình đơn lẻ mỗi giây, tùy thuộc vào kích thước của những gì chúng ta thấy. Một số loài chim có thể xử lý 145 khung hình mỗi giây, ngoài ra, có một số bằng chứng cho thấy những con ruồi nhà có thể xử lý tới 270 khung hình mỗi giây và ở những con ruồi nhanh nhất là 400 khung hình mỗi giây.

Khi dõi theo một đối tượng di chuyển nhanh, hệ thống thị giác của con người thực ra không cảm nhận được đối tượng chuyển động theo thời gian thực. Thay vào đó, mỗi khung hình chuyển động sẽ để lại lưu ảnh dài khoảng 1ms trên võng mạc, phần cảm nhận ánh sáng. Đó là lý do tại sao, nếu vẫy tay nhanh trước mặt, chúng ta sẽ thấy vệt mờ và bóng đèn huỳnh quang lại phát ra ánh sáng khá đều đặn. "Thứ mà mọi người không nhận ra đó là những ống đèn huỳnh quang thật ra đang nhấp nháy", Pomerantz nói.

Một bức ảnh phơi sáng cho thấy ảo ảnh bút chì cao su. (Ảnh: James Pomerantz).

Vì vậy, khi vẫy bút chì nhẹ nhàng lên xuống, hệ thống thị giác của chúng ta không thực sự ghi lại chuyển động đó một cách chi tiết, nó chỉ đang bày ra "một bản tóm tắt" của chuyển động.

Khi Pomerantz công bố nghiên cứu đầu tiên về ảo ảnh bút chì cao su vào năm 1983, ông đã sử dụng máy tính để vẽ đồ thị chi tiết từng khung hình chuyển động của bút chì.

Đồ thị bút chì đung đưa ở mỗi điểm chạm và góc khác nhau; ảnh số 16 tạo ra ảo ảnh lý tưởng. (Ảnh: James Pomerantz).

Được công bố trên tạp chí Perception and Psychophysics, kết quả nghiên cứu phát hiện ra rằng trong mô phỏng nếu giữ gần đầu của cây bút chì và lắc lư, các đồ thị của mỗi khung hình riêng lẻ sẽ kết hợp với nhau để tạo thành một đường cong mượt mà. Đó chính là những gì diễn ra trong hệ thống thị giác của chúng ta. Nếu là một chú chim hoặc côn trùng, bạn sẽ chỉ thấy một đường thẳng di chuyển lên xuống, vì những sinh vật đó có thể xử lý nhiều khung hình mỗi giây.

Nhưng vẫn còn nhiều thứ cần phân tích sâu hơn của hiện tượng. Nhiều nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng lý thuyết của Pomerantz là một phần quan trọng của câu chuyện, nhưng lại không hoàn toàn trả lời được câu hỏi tại sao bút chì lại bỗng nhìn có vẻ mềm dẻo như cao su. Các nhóm nhà khoa học ở Đức và Ohio đã yêu cầu những người tham gia thực nghiệm di chuyển mắt của họ theo những phương cụ thể trong khi vẫn để mắt nhìn theo các mô phỏng đường cong lắc lư trên máy tính. Ý đồ ở đây là xem liệu chuyển động của mắt có làm thay đổi "ảnh chụp vội" thu được trên võng mạc của họ hay không. Nếu giả thuyết của Pomerantz hoàn toàn đúng, nó sẽ "hủy bỏ" một phần chuyển động của bút chì, khiến vật dụng này trông thẳng hơn, Lore Thaler, nhà tâm lý học tại Đại học Durham, Anh, cho biết.

Nghiên cứu năm 2007, được công bố trên Journal of Vision, cho thấy chuyển động của mắt đã làm cho đường thẳng trở nên cứng hơn, nhưng không nhiều như những gì dựa trên lý thuyết của Pomerantz. Một thí nghiệm khác đã hỗ trợ thêm cho sự ngờ vực của các nhà nghiên cứu. Một chiếc hộp, được vẽ xung quanh bên ngoài đường thẳng và được vẩy lên xuống song song cũng làm thay đổi độ mềm dẻo mà chúng ta có thể thấy của đường thẳng. Chiếc hộp cung cấp ngữ cảnh, giúp não bộ phân biệt chuyển động của bút chì. Trên thực tế, khi chiếc hộp và bút chì được vẫy cùng nhau, người đó sẽ thấy một đường thẳng di chuyển lên và xuống.

Lý thuyết của Pomerantz và những kết quả thực nghiệm trên cho thấy hiện tượng uốn dẽo của bút chì không chỉ là "bức ảnh chụp nhanh" mà mắt chúng ta thu được, đó còn là ngữ cảnh xung quanh chúng và cách bộ não của chúng ta xử lý hình ảnh "chụp" được. Hiện nay, vẫn chưa rõ chính xác lý do tại sao bộ não của chúng ta lại không thể xử lý được một đường thẳng di chuyển lên xuống, nhưng các nhà khoa học có thể chắc chắn rằng: bộ não con người "chỉ làm tốt nhất những gì nó có thể".

• Vũ trụ mà chúng ta đang sinh sống liệu có phải là một hố đen?
• Tại sao một số loại đá trên Trái đất lại có màu đỏ?
• Thùng rác thông minh chạy bằng năng lượng mặt trời