大脑中的重力指南针：为何人类能快速识别自然下落物体的运动轨迹

重力作为地球上恒定的物理量之一，已经深深烙印在人类进化与认知的底层逻辑中。它塑造了我们对世界的基础理解，形成了许多不言自明的固有认知。闭眼时，我们会默认松手后手中的东西垂直向下运动；在陌生环境中，我们会默认头部的朝向为上，脚部朝向为下；倒水时，我们会预期水流呈抛物线下落，而非直线或随机扩散……这些固有认知共同构成了人类对世界的基础操作框架。

当地球人迈向太空，长期驻留于失重或微重力环境时，我们的大脑是否将地球重力预设为运动感知的隐形标尺呢？这种根植于进化中的固有认知又如何影响对复杂运动信息的判断呢？

手中东西自由下落

（图片来源：作者使用AI生成）

2025年7月，中国科学院心理研究所蒋毅研究组的一项创新实验，首次揭开了这一谜题：通过将自然重力加速度线索融入经典的“运动感知任务”，揭示了视觉系统竟能自动捕捉局部运动中的重力暗示，像拼图般快速整合出全局方向——这一机制，或许正是人类在地球上一眼看穿物体下落轨迹的秘密。

实验设计：基于心理物理法的运动感知测量

心理物理法是心理学与感知科学中用于量化主观感知与客观物理刺激之间关系的实验方法，其核心目标是通过测量个体对物理刺激的感知阈值或辨别能力，揭示感知系统的内在机制。在本研究中，研究者利用心理物理法设计5个实验，高效测量参与者对连贯运动方向的感知阈值。

在实验1-4中，参与者想象自己坐在一条隧道的一端，离他们很远处的隧道另一端有一个透视绘图背景屏幕的方形区域，两个人物站在方形区域的两侧，为参与者预估屏幕上物质的实际大小提供参考。实验前，参与者被告知隧道的高度为3米，靠近隧道的两个身影的高度为1.8米，这些信息帮助参与者感知到刺激物是在远处以重力加速度呈现的移动状态。

运动刺激和背景的示意图

（图片来源：参考文献[2]）

在方形区域内部，包含400个移动的点，分别为信号点和噪声点。信号点均沿同一垂直方向进行向上或向下的加速或者减速移动。其中，加速向下和减速向上的运动为符合自然重力运动的规律（1g条件），而加速向上运动和减速向下运动则与自然重力运动相反（−1g条件），称为反转重力方向。噪声点除了垂直向上和向下移动外，以随机的方向移动。对应到上图中，光点就代表信号点，这些点在虚拟场景坐标系中以相同的初始速度从正方形的上部开始以1g的加速度向下运动。空心点代表噪声点，除了移动方向随机之外，运动参数与信号点相同。在实验1中，为了检验在恒定速度噪声点中，重力方向是否促进连贯运动感知。研究者设计刺激区域为8度乘以8度的视觉角度，让信号点以自然重力或反转重力加速运动，方向为向上或向下。噪声点以恒定速度，进行非垂直方向的随机运动。在实验2中，为了检验当噪声点与信号点具有相同加速度时，重力方向是否仍促进感知，让噪声点以与信号点相同大小的加速度随机运动。在实验3中，为了检验在动态变化的刺激条件下，重力方向的影响是否稳定，让每个点的寿命随机，消失后重新出现。在实验4中，为了检验在更大刺激区域和更高速度下，重力方向的影响是否仍存在，将信号点与噪声点扩大到900个，刺激区域扩大为15度乘以15度的视觉角度，平均速度提高至上述实验的2.3倍。

每次实验开始时，方形屏幕中心会先出现一个固定十字，持续500毫秒，然后是移动的点显示1000毫秒，之后是100毫秒的空白间隔。之后会呈现一个“？”符号，参与者需要通过按下相应的按键来判断这些一致运动的方向是向上还是向下。

实验示意图。Fixaton 500 ms：固定十字，持续500毫秒；Moving dots 1000 ms：移动的点，显示1000毫秒；Blank interval 100 ms：空白间隔，100毫秒；Coherent direction judgment until response：在响应前进行一致性方向判断。

实验示意图。Fixaton 500 ms：固定十字，持续500毫秒；Moving dots 1000 ms：移动的点，显示1000毫秒；Blank interval 100 ms：空白间隔，100毫秒；Coherent direction judgment until response：在响应前进行一致性方向判断。

（图片来源：参考文献[2]）

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存在，让参与者坐在距离1.9米高的投影屏幕7米外的距离处，将运动刺激画面直接投射到屏幕上，没有带有透视效果的背景图。

实验5的示意图

（图片来源：参考文献[2]）

最终，通过QUEST方法对每位参与者测量相干运动感知阈值。QUEST方法是一种贝叶斯自适应心理测量程序，在每个条件的第一次实验中，初始一致性水平设置为80%。然后，根据QUEST程序计算出的阈值分布，根据参与者的反应对每次试验的一致性水平进行调整。信号点的最小和最大百分比被限制在1%至80%之间。在40次实验后，以75%的准确率估计出每种条件下参与者最终的感知阈值。这种高效精准的测量手段为后续发现奠定了方法学基础。

研究发现：视觉系统中的重力优先效应

实验结果如下图显示，点线图呈现了个体数据与组均值的分布， 每个点代表一个参与者在自然重力（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。连线用于连接同一实验中自然重力（1g）或反转重力（-1g）条件的值，直观显示重力方向对阈值的影响。柱状图展示每种情况下的平均运动相干阈值，揭示重力方向对感知能力的量化影响。阈值越低，代表参与者的感知能力越强，对全局运动的感知更敏感。

不同实验条件下自然与反转重力条件对一致性运动感知阈值的影响。图A-E：实验1-5；size：视觉区域；noise：噪声点以恒定速度或变速运动； p值代表统计可靠性。

（图片来源：参考文献[2]）

如图A所示，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），自然重力方向更易被参与者整合为连贯运动，而且“往下掉”的东西比“往上飘”的更容易被参与者注意到。

此外，为了排除干扰，把噪声点改成了和信号点一样有加速度的运动，结果自然重力的优势依然存在，说明这个效果不是靠有没有加速度区分的，而是真的和重力方向有关。

同时，为了让画面更动态，研究者把画面里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。结果自然重力的优势还是没变，说明这个效果够稳定，不怕刺激变复杂。

研究者继续扩大刺激参数下的重力方向感知，将画面区域扩大，点的运动速度加快来模拟更复杂的场景。结果自然重力依然更易被参与者识别，但这次“往上飘”和“往下掉”的差异消失了。

最后，研究者直接用投影仪把画面投到大屏幕上来模拟真实的看远处隧道的场景，结果自然重力的优势依然存在，说明此效应在真实场景中仍然保持稳定。

总的来说，无论背景噪声是否包含加速度、点的存在时间持久或短暂、刺激场景在虚拟或真实世界中呈现，人们始终更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？

人类视觉系统通过内在的重力先验模型，自动整合局部运动信号中的重力方向线索，从而优化对全局连贯运动的感知。这项发现不仅解开了认知科学的谜题，更可能为多个领域带来颠覆性应用。

虚拟现实（VR）设计：在VR游戏中，若物体运动不符合重力逻辑，用户容易头晕或出戏。VR开发者可以通过模拟自然重力方向的运动轨迹设计游戏，让虚拟物体的抛掷、坠落更贴近现实以提升用户沉浸感。

VR游戏

（图片来源：作者使用AI生成）

航天航空：在微重力环境中，为航天员训练设计反重力模拟场景，帮助他们在微重力环境下提前适应运动规律，帮助宇航员维持空间感知能力。

航天航空

（图片来源：作者使用AI生成）

汽车自动驾驶：自动驾驶系统需要快速识别行人、抛掷物等动态目标。未来，车载视觉系统可以集成重力感知模型，对符合自然重力的运动赋予更高优先级，同时对突然飞起的物体触发紧急预警，提升反应速度，更加精准预判危险。

自动驾驶

（图片来源：作者使用AI生成）

结语

重力不仅是物理定律，更是大脑认知世界的默认脚本。下一次当你下意识接住坠落的手机时，不妨想想，这或许不是运气，可能就是大脑在悄悄调用内置的重力模拟程序呢！

参考文献：

[1]陈志鹏,余敏斌,吕忠林,等. 周边视功能的心理物理学检测与临床应用[J]. 国际眼科纵览,2018,42(3): 204-208.

[2]Lu, X., Song, B., Zhang, S. et al. Implied gravity promotes coherent motion perception. npj Microgravity 11, 36 (2025).

[3]Wang, Y., Zhang, X., Wang, C., Huang, W., Xu, Q., Liu, D., Zhou, W., Chen, S., & Jiang, Y. (2022). Modulation of biological motion perception in humans by gravity. Nature Communications, 13, 2765.

出品：科普中国

作者：一言科普团队

监制：中国科普博览