Pszichofizika

A színekkel foglalkozó korábbi írásainkban többször kiemeltük, hogy a színlátás magyarázatában a fizika, a fiziológia és a pszichológia is szerepet játszik, egyebek mellett. Most egy kis kitérőt kell tennünk az első hallásra furcsa nevet viselő pszichofizika területére. Hogy miért? Mert a pszichofizikai szemlélet tette lehetővé a későbbiekben a fénymérés és a színmérés megalapozását, „mérhetővé” téve a „mérhetetlent”.

A színek első, áttörést jelentő fizikai megközelítése Newton érdeme, noha maga is felismerte, hogy „…a fénysugarak valójában nem színesek. Semmi más, csak bizonyos erő és képesség van bennük, hogy ennek vagy annak a színnek az érzetét létrehozzák.”. Később, a tudomány fejlődésével teret nyert a fiziológiai szemlélet is, a szem és az idegrendszer működésének vizsgálata, amit a színtudomány nem nélkülözhetett (trikromatikus elmélet: Young, Helmholtz, Maxwell, később az opponens színelmélet: Ewald Hering). A fény- és színészlelet magyarázatában végül a pszichológia is helyet követelt magának.

A pszichofizika elnevezés Gustav Fechner német fizikustól és természetfilozófustól származik (1860), aki – egyebek mellett – szerette volna az éppen akkoriban a tudománnyá válás kapujában álló pszichológiát, főként az érzékelés vagy érzet (sensation) pszichológiáját egzakt, matematikával leírható tudománnyá tenni, mérhető összefüggést teremtve egy inger erőssége és az általa létrehozott érzet erőssége (magnitúdója) között. Bár az érzékelés eredendő szubjektivitását nem lehet kiküszöbölni, és Fechner konkrét eredményei mai ismereteink fényében részben megkérdőjelezhetőek (érvényességük korlátozott), szemlélete kétségtelenül rendkívüli módon segítette azt a törekvést, hogy „mennyiségeket” (mérhető értékeket) lehessen hozzárendelni a „minőségekhez” (érzékelési, észlelési jellemzőkhöz).*

*Fechnertől függetlenül a színek vizsgálatakor Helmholtz és Maxwell (kb. 1850-1870) a kísérleti pszichológia, nevezetesen a pszichofizika módszereit alkalmazta a színegyeztetési és egyéb kísérleteik során. Fechner a pszichofizikát megalapozó könyvét 1860-ban publikálta. Talán levonható a következtetés, hogy e szemlélet szükségszerűen jelent meg a 19. század közepén.

A pszichofizika tehát egyúttal kísérleti módszert is jelöl, amikor szigorúan meghatározott külső körülmények és egyéb feltételek mellett kísérleti alanyok ítéletének rögzítésével, és egyfajta „átlagolásával” határozzák meg az ily módon redukált érzéklet/észlelet számszerű kifejezését. A pszichológiát sokak szerint elsőként a tudomány szintjére emelő Wilhelm Wundt később a fiziológiai pszichológia nevet adta a pszichofizikának, de bárhogy is nevezzük, a pszichofizika módszerei a kísérleti pszichológia részét képezik.

A pszichofizika törvényeit nem egészen úgy kell értelmeznünk, mint a természettudományok egzaktnak gondolt (bár néha nem is annyira egzakt) törvényeit, mivel az érzékelés kétszeresen is „szubjektív”: egyrészt az egyéni fiziológiai különbözőségek miatt (bár ezek hatását átlagolni lehet), másrészt a nagyszámú pillanatnyi és esetleges (a kísérleti alanyokon kívüli és belüli) befolyásoló tényező miatt. Ráadásul a pszichofizikai törvényszerűségek általában csak bizonyos ingertartományokban viszonylag pontosak. Túl kicsi vagy túl nagy ingererősség esetén módosítani kell őket, esetleg érvényüket vesztik. Továbbá több ingerfajtára (inger-modalitásra) nagyon pontatlan eredményt adnak, vagy egyáltalán nem érvényesek.

A továbbiakban röviden vázoljuk a pszichofizika kezdeteit, illetve egy példán érzékeltetjük a pszichofizika 20. századi továbbgondolását.

A Weber-törvény

A kiinduló felismerés (1834) Fechner lipcsei tanárának, a fiziológus Ernst Heinrich Weber nevéhez fűződik, a Weber-törvény elnevezés azonban Fechnertől származik. Weber egyik nagy tudományos eredménye (noha “csak” tanár volt, és soha nem publikált tudományos írásokat) az érzékelési küszöb, vagy elterjedtebb nevén az éppen észrevehető különbség (just noticeable difference, JND) fogalmának megalkotása. Ez azt a legkisebb különbséget jelenti két ingererősség között, amely már megbízhatóan detektálható, érzékelhető.*

*Ennek elnevezése relatív érzékenységi küszöb, míg a nulla ingererősség (egy inger hiánya) és az éppen érzékelhető nulla fölötti ingrerősség közötti különbség az abszolút érzékenységi küszöb.  

Weber másik – kísérleteire alapozott – eredménye, amit ő maga nem is törvénynek, inkább “ökölszabálynak” tekintett, hogy a JND, más jelöléssel a ΔS, az S inger (stimulus) erősségének változtatásakor egyenesen arányos magával az ingererősséggel, más szóval a JND vagy ΔS és az S ingererősség hányadosa állandó. Egy egyszerű képlettel leírva:

ΔS/S = k,

ahol ΔS az éppen észrevehető különbség, S az adott inger erőssége, k pedig az állandó hányados. Ez a Weber-törvény. A ΔS/S törtet Weber-törtnek (Weber fraction), a k állandót Weber-konstansnak is nevezik. A törvényszerűség csak bizonyos intenzitási határok között, és nem minden ingerfajtára érvényes, van egy módosított alakja is: ΔS/(S+A)= k, ahol A egy korrekciós tényező. Az ingerfajták (inger-modalitások) nagyon sokfélék lehetnek (fény, hang, illat, súly, hőmérséklet, áramütés, tapintási nyomás, hőérzet, rezgés, íz, és sok minden más).

Későbbi alapos vizsgálatok kimutatták, hogy A Weber-törvény pl. súlyterhelés esetében nagyon pontosan, a fényinger esetében kisebb, a hanginger esetében még kisebb pontossággal írja le az éppen észrevehető különbség és az adott ingererősség kapcsolatát, más szóval k nem marad állandó az ingererősség változásakor. Egyébként pedig a k állandó a különféle ingerfajtákra más és más értékű.

A Fechner-törvény

Tévesen nevezik Weber-Fechner törvénynek, mivel Gustav Fechner a saját – Weberétől lényegesen különböző – törvényét tanára iránti tiszteletből nevezte el Weber-Fechner törvénynek. Ezért a továbbiakban mi a Fechner-törvény elnevezést fogjuk használni.

A Fechner-törvény annyiban lép túl a Weber-törvényen, hogy bevezeti az “érzet” vagy “érzéklet” (sensation) erősségének fogalmát abszolút értelemben. Relatív értelemben ezt már a Weber-törvény is használja, hiszen a JND (ΔS), az éppen észrevehető ingererősség-változás is érzetjellemző. Jelöljük az érzet erősségét Ψ-vel, az inger erősségét S-sel, akkor Fechner állítása a következő:

Ψ = K × ln S + C, ahol K egy arányossági tényező, C pedig integrálási állandó. Az ln a természetes, e alapú logaritmust jelöli. A törvény kifejezhető 10-es alapú logaritmussal is, más konstansokkal. Fechner ezt az összefüggést annak feltételezésével írta fel, hogy a ΔS/S = k (Weber-törvény) dS/S = k alakban is kifejezhető, a k Weber konstans pedig Fenchner felfogásában egyenlő a érzetváltozással. A Fechner-törvény éppen a dΨ = dS/S alakban felírt “Weber-törvény” integrálásával kapható meg. A dS azonban itt infinitezimális (a végtelen kicsihez közelítő) mennyiséget jelöl, ezzel szemben a ΔS éppen észrevehető különbség mindig konkrét és véges értékű. Ezért mondhatjuk, hogy a Fechner-törvény a Weber-törvénytől lényegesen eltérő hipotézis, bár sokféle inger-modalitásra elég jó közelítéssel érvényes.

C-t úgy lehet meghatározni, hogy feltételezzük, az ingernek létezik egy abszolút küszöbértéke (So), amely alatt az érzet erőssége 0, amiből következik, hogy C = –k × ln So. Ebből adódik a Fechner-törvény végleges alakja:

Ψ = k × ln (S/So).

Annak tárgyalásába most nem megyünk bele, hogy a Fechner-törvényt általánosságban miért, és milyen ingerfajták esetében nem tartják érvényesnek, illetve csak korlátozottan érvényesnek a pszichofizikát művelő szakemberek.

Mint utaltunk rá, a pszichofizika legnagyobb érdeme, hogy mint kísérleti módszer – az esetlegesség és a szubjektivitás “kiküszöbölésével”, azaz a valóság egyszerűsítésével – lehetőséget teremtett a redukált érzet, érzéklet számszerű kifejezésére.

K01

A 20. században újabb pszichofizikai megközelítések születtek az inger és az általa kiváltott “érzeterősség” (érzet-magnitúdó) közötti kapcsolat leírására. Talán az egyik legjelentősebb a Stevens-törvény.

A Stevens-törvény

Stanley Smith Stevens, a pszichofizika (különösen a pszichoakusztika) egyik kiváló és híres amerikai művelője, új matematikai kapcsolatot javasolt a fizikai inger erőssége és az érzet-magnitúdó között (1957), részben már az előző századi kutatók javaslataira támaszkodva.

A Stevens-törvény (Stevens’ power law) általános alakja:

Ψ = k × S^α,

ahol Ψ az érzékelt magnitúdó, k egy arányossági tényező, S az inger erőssége, α pedig az ingerfajtától függő hatványkitevő.

Stevens tehát a hatványfüggvényt alkalmasabbnak találta az érzet magnitúdója és az inger erőssége közötti kapcsolat leírására. A kritika azonban ez esetben sem maradt el, mivel a Stevens-törvény éppúgy nem teljesen általános érvényű (legalábbis a pszichológusok egy része ezt állítja), mint a Fechner-törvény. A világosságfénysűrűség (brightness–luminance) relációban azonban például a szakemberek túlnyomó többsége elfogadja az α = 0,33-as értéket, sötét környezetben 5 fokos megvilágított mintát feltételezve.

Mint az alábbi táblázatból látható, a különféle vizsgált inger-modalitásokra a Stevens-törvényben szereplő α kitevő széles tartományban, 0,33 (világosságérzet) és 3,5 (elektromos áramütés érzete) között van, és pl. az ízlelés esetében a más-más ízingerekre (cukor, só szaharin) is eltérő, és ez gyakorlatilag minden más inger-modalitásra is igaz.

Érzet magnitúdója α kitevő Inger-modalitás, illetve a konkrét változó inger
Hangosság 0,67 3000 Hz-es hang hangnyomása
Rezgés 0,95 60 Hz-es rezgés erőssége ujjon
Rezgés 0,6 250 Hz-es rezgés erőssége ujjon
Világosság 0,33 Fényerősség (5 fokos látómező sötétben)
Világosság 0,5 Pontszerű fényforrás erőssége
Világosság 0,5 Rövid felvillanás erőssége
Világosság 1 Röviden felvillantott pontszerű fényforrás erőssége
Relatív világosság 1,2 Szürke papírok reflektanciája
Vizuálisan érzékelt hosszúság 1 Vetített vonal hossza
Vizuálisan érzékelt terület 0,7 Vetített négyzet nagysága
Vörösség (telítettség) 1,7 Változó arányú vörös-szürke keverék
Íz 1,3 Cukor mennyisége
Íz 1,4 Só mennyisége
Íz 0,8 Szaharin mennyisége
Szag 0,6 heptán (szénhidrogén)
Hűvösség 1 Fém karhoz érintése
Melegség 1,6 Fém karhoz érintése
Melegség 1,3 Bőr besugárzása kis területen
Melegség 0,7 Bőr besugárzása nagy területen
Kellemetlen hideg 1,7 A teljes test besugárzása
Kellemetlen meleg 0,7 A teljes test besugárzása
Hő okozta fájdalom 1 A bőrre sugárzó hőhatás
Durva felület érintése 1,5 Dörzsölő ruházat
Tapintási keménység 0,8 Gumi megszorítása
Ujjak feszítése 1,3 Átfogott tömb vastagsága
Nyomásérzet a tenyéren 1,1 Statikus erő a bőrfelületen
Izomerő 1,7 Statikus megfeszítés nagysága
Súlyérzet 1,45 Súlyok felemelése
Viszkozitás 0,42 Cseppfolyós szilikon
Áramütés 3,5 Áramhatás az ujjakon keresztül
Beszédhang erőssége 1,1 Beszéd hangnyomása
Szöggyorsulás 1,4 5 másodperces forgatás
Időtartam 1,1 Változó időtartamú fehérzaj inger

A pszichofizika szerepe a fény- és színmérésben

De miért is fárasztottuk az olvasót ezzel a talán hosszú fejtegetéssel? Az emberi érzékelés legfontosabb területe a látás, a legfontosabb érzékszervünk a szemünk, de a látottak értelmezésében a központi idegrendszer mondja ki a végső szót. A fény és a színek észlelését ezért a maga komplexitásában nagyon nehéz számszerűsíteni. Különösen akkor, ha a minket körülvevő valóságban többféle színes objektum és háttér van tetszőleges elrendezésben és megvilágításban. Ezek együttesen mind módosíthatják, és módosítják is egymás hatását, egy-egy szín érzetét. Akkor mégis mit tehetünk? Itt jut szerephez a pszichofizika, már amennyiben homogén háttér előtt, és adott megvilágítás mellett (a szem adaptált állapotában) vizsgáljuk egy színinger hatását.

Ha tehát mérni szeretnénk a fényt és a színeket, akkor nem a komplex érzet mérését, hanem a fény- és színingermérést kell lehetővé tennünk a kísérleti pszichológia módszereivel meghatározott pszichofizikai mennyiségek segítségével. Valójában “redukálni” kell a fény- és színérzetmérést (mivel ez a maga teljességében nem lehetséges) a pszichofizikai összefüggéseknek megfelelően “súlyozott” fény- és színingermérésre.

Ennek megalapozására már a 19. század kutatói is komoly erőfeszítéseket tettek, de a kisebb módosításokkal máig elfogadott eredmények a 20. század elején születtek meg. Szigorúan kontrollált körülmények között, elvonatkoztatva az egyedi és esetleges hatásoktól (ez jelenti a “redukciót”) sikerült meghatározni azokat a függvényeket, amelyekkel a tisztán fizikai ingereket (az elektromágneses sugárzás hullámhossz szerinti eloszlását) súlyozni kell a pszichofizikai mennyiségek kiszámításához. Pl. ilyen a V(λ) relatív spektrális fényhatásfok és az x(λ), y(λ), z(λ) színinger-megfeleltető függvények, amelyek közvetlen kapcsolatban vannak szemünk háromféle színérzékelő receptorának hullámhosszfüggő érzékenységi karakterisztikáival stb., és végül sikerült megalkotni egy univerzális eszközfüggetlen színingermérő rendszert (CIE XYZ színrendszer). Erről a témakörről egy másik írásunkban fogunk részletesen beszélni.

colorlove

Ajánlott források:

https://www.britannica.com/biography/Ernst-Heinrich-Weber

https://www.britannica.com/biography/Gustav-Fechner

https://en.wikipedia.org/wiki/Stevens%27s_power_law

Legyen Ön az első hozzászóló

Várjuk hozzászólását!

Az Ön email címe nem kerül nyilvánosságra.


*


Ez az oldal az Akismet szolgáltatást használja a spam csökkentésére. Ismerje meg a hozzászólás adatainak feldolgozását .