为什么你看到物理就犯愁？因为你没有物理学家的“脑回路”

物理学家的大脑会将根据“尺寸是否可测量”来组织概念。

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物理科学一直在努力跨越所有时空尺度，寻找理解物质和能量的最佳解释。现代物理学充斥着复杂的概念，已经颠覆了我们看待可见及不可见宇宙的方式。越来越多的物质奥秘正在被那些一心钻研亚原子、量子和宇宙学等抽象世界的物理学家们解开。不过，他们的大脑是如何思考那些不可体验的世界来实现这些壮举的呢？近日，卡耐基梅隆大学的研究人员在《npj学习科学》上发表论文称，他们发现了一种方法，可以解读与单个抽象科学概念（如费米子或暗物质）相关的大脑活动。

在新研究中，卡内基梅隆大学的高级研究员Robert Mason、物理学教授Reinhard Schumacher和心理学教授Marcel Just通过功能性磁共振成像（fMRI）记录了物理系同事们的大脑活动，调查了他们思考高级物理概念时的思维过程。

其中一个最新奇的发现是，物理学家的大脑会将根据“尺寸是否可测量”来组织概念。对于大多数普通人来说，只要有合适的尺子、秤或雷达枪，任何物质都是可以测量的；但对于物理学家，一些概念，如暗物质、中微子或多元宇宙，是“深不可测”的。后者的大脑会将这些概念分开组织。当然，物理系教授大脑组织的某些部分与物理系学生的大脑组织相似，比如那些具有周期性的概念，如光、无线电波和伽马射线。

另一个惊人的发现是，尽管接受训练的语言、文化环境不同，物理学家们的大脑在表现概念的方式上却有极大的共性。这种概念表征的共性之所以出现，是因为在处理给定类型信息时自动发挥作用的大脑系统，本身就是最适合该处理过程的。

不过，如何评估这些对大脑活动的解读呢？研究小组找到了一种方法来预测每个概念的激活模式。他们另外招募了一组理教师，让这些参与者在拟定的组织维度上对概念进行1-7级的评分（例如：“二元性”概念的可测量级别极低）。然后，计算模型会确定除一种概念外的所有概念的评分和激活模式之间的关系，然后利用该关系来预测被遗漏概念的激活。模型的准确率平均达到了70%。

20世纪初，后牛顿时代的物理学家们从根本上推进了对空间、时间、物质和能量的理解。这些新概念不是来自他们的知觉经验，而是来自人类大脑的生成能力。大脑中的神经元具有大量特征各异的计算能力，而经验则决定了哪些能力会以何种方式与大脑其他区域结合使用，以执行特定的思考任务。天才会使用这些能力发展新技能、知识，正是大脑的适应性让这成为了可能。

20世纪重要的新物理维度的一个例子是“不可测性”（例如暗物质的一种特性），它与经典物理概念（如速度）的“可测性”形成了鲜明对比。这一新维度存在于所有接受测试的物理教师的大脑中，正是类似的新能力推动了物理学的进步。

编译：橘子 审稿：西莫 责编：陈之涵

来源：《npj学习科学》

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https://medicalxpress.com/news/2021-10-ancient-brains-modern-physicists.html

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