大范围拓扑蜜蜂分辨与三旋理论
拓扑学被形象地称为“橡皮薄膜的几何学”。拓扑性质可以想象成在橡皮薄膜的塑性形变下仍然保持不变的性质。比如有一个洞的一块橡皮薄膜,我们可以任意改变它的形状,只要不把它剪开或者把它的两点粘在一起,这块橡皮薄膜有一个洞的性质不会改变。因此,“洞”是一种典型的大范围拓扑性质。而在橡皮薄膜的塑性形变下,我们通常熟悉的距离、朝向、大小等性质会改变,它们都不是拓扑性质而是局部性质。 在我国,很多的群众和专家,只懂得欧氏几何的点、线、面、体,不懂得拓扑学之类的球面与环面不同伦,在环面上整体与部分不一定同伦的基本原理。现以拓扑学中的约当定理为例,它说的是在平面上画一个圆,把平面分成两部分;作圆内外两点的任一连线,都必定要与圆周线交于一点。这个定理在平面和球面上是成立的,但在环面上却不一定成立。例如沿环圈面画一个圆圈并没有把环面分成两部分,圆圈两边的点可以通过多种曲线彼此连接。这说明平面和曲面并不是本质的区别,本质的区别是在曲面中,环面和球面是不同伦的。但由于人类多数接触的是平面和球面空间,少数才是环面空间,所以对自相似复杂性的认识,理论上还需补上三旋学的知识。
中国科学院研究生院教授陈霖等人发现,蜜蜂虽然只有相当简单的视觉系统,却能够分辨大范围拓扑性质。这一研究结果发表在最近出版的《美国科学院院刊》上。
知觉过程从哪里开始?这是现代知觉研究一个根本性的未解之谜。早在1982年,陈霖就在《科学》杂志上发表论文提出拓扑性质知觉理论,认为人类视知觉过程是从大范围拓扑性质开始的。而在国际知觉研究领域占主导地位的特征分析理论却认为,知觉过程是由局部性质到大范围性质,首先知觉的是“线段朝向”等图形简单部分及其局部几何特征。
观点尖锐对立的双方均以蜜蜂作为研究对象。陈霖等人经过深入研究后创造性地指出,如果拓扑性质的确是视知觉的基本单元,在生物进化链中,分辨拓扑性质的能力应当是各种生物视觉系统具有的共同功能;因此蜜蜂的简单视觉系统尽管不能分辨简单几何图形,却应当能够分辨大范围拓扑性质。这一推论对拓扑知觉理论提出了超越常识的挑战。结果,他们进行的系统实验强有力地证实了这个推论。更有意思的是,实验表明,蜜蜂几乎不需要训练就能够分辨拓扑性质,其分辨能力带有一定的先天性。
国际同行对这一研究和发现给予高度评价。他们在《认知科学趋势》等权威学术刊物上发表专论,充分肯定了拓扑知觉理论:“陈等人详尽而精确的拓扑特征方案,既明确又抓住了重要的大范围信息。蜜蜂能够检测拓扑性质似乎是令人惊讶的,但是陈的结果和其他对人类的发现一致:大范围性质的知觉常常优于局部性质,因此是根本的。”(杨)