量子可以同时处于两种状态;空间就像是形状可以改变的结构;虽然把整个宇宙“粘合”在一起,但暗物质却是不可见的;诞生于 138 亿年前大爆炸的宇宙,可能无限膨胀下去,也可能坍缩为一个奇点。

除非是一名受到良好训练的物理学家,否则上述任何一个问题都会让人脑壳疼。

在尝试理解这些不可思议的复杂概念时,人们会出现认知困难,但理论物理学家每天都在考虑,甚至尝试回答这些问题。

他们是如何做到的?

根据星期一发表在《npj Science of Learning》期刊上的一项研究,物理学家的大脑可以通过自动将事物划分为“可测量”和“不可测量”两类,来理解这些违反直觉的理论。

论文第一作者、卡耐基梅隆大学心理学家马塞尔・贾斯特(Marcel Just)表示,“对于日常所见的大多数事物,例如一块石头、一个湖泊、一枝花,人们可以估计出它们的大小,但物理学家思考的概念,不存在大小这一属性。”

为了研究物理学家大脑是如何工作的,贾斯特及其同事向 10 名具有不同专业和语言背景的物理专业老师提供一组概念,然后利用功能磁共振成像技术扫描他们大脑的活动。功能磁共振成像技术根据血液、葡萄糖和氧气流动情况研究大脑活动。

实验证明,每名物理学家大脑都会将概念划分为两类。论文共同作者、卡耐基梅隆大学粒子物理学家莱因哈德・舒马赫(Reinhard A. Schumacher)说,“我希望搞清楚势能、扭矩、加速度、波长、频率等概念之间的共同之处;其他概念包括暗物质、二元性、宇宙和平行宇宙。”

普通人可能会认为舒马赫所称的“其他概念”让人费解,但舒马赫意识到,它们之间最重要的共性,是它们都是不可测量的。

研究团队得出结论,物理学家的大脑,能自动区分量子物理等抽象概念以及速度、频率等可测量概念。这可能是他们能相对轻松地思考这些概念的原因。

物理学家的“超能力”来自大脑演化

舒马赫表示,学生对抽象物理概念的思考不同于物理学家,“随着物理学家年龄的增长,这些概念在他们头脑中‘沉淀’的时间越来越长,使用起这些概念来就越驾轻就熟。这些概念使用得越多,它们就越像老朋友”。

对大脑的扫描也支持上述观点。研究团队不仅仅扫描了物理专业老师,也扫描了物理专业学生的大脑,“从事多年研究工作的物理老师,大脑考虑这些概念的效率更高”。

另外,贾斯特指出,教授们“右侧大脑活动更活跃,表明他们大脑中有大量关联模糊的概念”。

虽然物理专业学生可能在速度和加速度之间建立关联,教授却能在速度与被大脑边远区域激活的更小众概念之间建立联系,例如宇宙膨胀的速度。

能轻松思考新概念的并非只有物理学家

贾斯特强调,大脑接受新的抽象概念的演化,存在于全体人类。当然,可能只有物理学家能轻易理解二象性或平行宇宙,但其他专业人士也能掌握所在专业的复杂概念。

例如,化学家必须能够想象无法观察到的原子轨道结构和化学键。随着时间推移,普通人已经对iPhone和云计算“习以为常”,穿梭回数十年前,这两者也让人感到费解。