抓不住的百元大鈔——窮孩子學科學（1）｜小爐匠沙龍_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-01-31 19:40
撰文 | 吳建永（美國喬治城大學神經科學系教授）
小剛是個五年級的小學生，生活在一個地圖上都找不到的小鎮，平常喜歡淘氣，給大人搗鬼。他在電影裏看到這麼個片段很感興趣：甲乙兩人打賭，甲拿出一張百元大鈔，用手指捏住上端，然後突然鬆手讓鈔票自然落下，而乙則在看鈔票落下的瞬間用手去捏住。如果乙捏到了鈔票，甲就輸給了乙。看起來是很容易抓到的鈔票，可是乙卻一次都抓不到（圖1）。
小剛很好奇，就決定自己做實驗，讓爸爸扮演甲來捏着鈔票，自己扮演乙來抓。老爸開個小公司，平時每天都是一把一把抓鈔票的。這會兒突然讓他只抓一張鈔票，而且還要“鬆手”，於是很不耐煩。可是架不住兒子的嚴厲批評，只好耐着性子配合。但是説好了只要小剛抓住一次，鈔票就給他，遊戲也結束。然而，照着電影裏的動作，小剛抓了十幾次，居然一次也沒抓到（見下方視頻）。爸爸説小剛作弊，故意抓不到以便拖住他。 於是小剛就用很標準的科學實驗方法進行互換，自己當甲，讓老爸當乙。而且説好了抓住一次遊戲就結束，如果抓不住，那張鈔票就歸小剛。結果做了二十幾次，爸爸不但一次都沒抓住，錢包反被小剛掏空了，只好求饒。最後爸爸很不情願地答應夏天一定陪小剛去北京大學參加李教授舉辦的親子科學夏令營。
小剛和別的孩子不同，贏了老爸後還要繼續思考。他上網查了一下，哇，這個抓鈔票問題竟然有三千六百多萬個網址（圖2）。讀了前面幾條就看到很多人已經給出了科學的解釋：因為人從看到鈔票下落到手指動作的反應時間大約是0.2秒左右，而鈔票在0.2秒內下落的距離可以用自由落體的公式算出來：下落距離= 1/2 重力加速度常數X 時間的平方。
小剛查了一下重力加速度常數G，是9.8米/每秒平方，然後把人的反應時間0.2秒帶入公式，得到下落距離大約是19.6釐米。而鈔票只有不到16釐米長，所以當然是抓不到啦。這就是抓鈔票遊戲興盛百年的秘密。
小剛上學晚，八歲前每天幫媽媽看菜攤，需要躲各種管理攤販的市容、衞生、税務的執法人員，所以腦子比別的孩子多幾根弦。他對任何問題都要儘量琢磨透。他覺得人的反應速度是可以通過鍛鍊提高的。只要人的反應時間快些，就能在看見鈔票下落的一瞬間捏住它。那麼如果我進行一系列鍛鍊，是否就能讓反應速度超過常人，變成個能抓鈔票的人生贏家呢？為了試試能否成為超人，他佈置了一個精美的實驗。
可是爸爸這個無賴根本不配合，他做生意在外應酬寧可每天喝得扶牆走，也不願花點時間陪孩子做實驗。而這個實驗卻必須要兩個人做，總不能自己一隻手釋放鈔票另一隻手抓吧？但這種困難完全難不倒小剛，他從小遇到困難就會想竅門。那時候媽媽讓他每天盯着街口，看到“大蓋帽”過來就趕緊通知媽媽收攤。雖然開始經常因為動作慢被罰錢，後來他琢磨出了規律，每天上午城管從辦公樓開車出來的時間雖然不定，但他們出門後沿街巡邏，到媽媽的菜攤至少需要15分鐘。於是他從修手機的李賴子那裏躉來一個不能通話的破手機，讓媽媽揣在口袋裏，自己則泡在樓門口的麻將攤上，一看見車出門就給媽媽撥電話。那手機雖然不能通話但鈴聲卻滿響亮。媽媽一聽鈴響就趕緊收攤，這樣幹了一年居然都順順利利。這讓小剛充分體會到想贏得時間一定要引入科學技術。
研究抓百元大鈔的實驗當然要引入先進科技，這就是做個“機器人爸爸”來代替不靠譜的真爸爸。小剛的高科技啓蒙老師就是修手機的李賴子。賴子除了修手機，還喜歡擺弄各種芯片和電子電路。他僱傭鎮上的小孩，用電烙鐵從報廢的手機電路板上拆下各種元件，焊下十片電阻電容給一分錢，拆個64腿的芯片五分錢。那時小剛在下午媽媽收攤後就泡在李賴子的店裏拆元件掙錢，練就了一手一流的錫焊技術。李賴子很信任他，經常把顧客手機的小毛病丟給他修。小剛在李賴子的小店裏接觸到一種單片計算機，叫做“BASIC stamp”，可以一行一行地編程，計算機就可以按人的意志控制小燈閃閃，還能唱個曲兒啥的（圖3）。
小剛很迷這玩意兒，一宿一宿的不睡覺，琢磨各種怪程序。過了幾年，編程被搞教育的人商業化了，變成賺錢工具，他們忽悠家長“不能讓孩子輸在起跑線上”，花幾千塊報班參加編程班還要排隊，搞點什麼“人工智能”，控制機器人啥的。可是那些富家孩子從小四體不勤，在只有幾個月的編程班裏根本學不會，所以只會用藍莓機，照着老師的程序搞點花裏胡哨的動作，把家長迷的一道一道的，但離開老師就不靈了，一問一瞪眼。花錢是買不來興趣的，小剛要搞的“機器人爸爸”就是那些富家子弟根本沒興趣的。
小剛的想法是這樣的：程序用一個電鈕啓動，檢測到按鈕後程序產生一個隨機數，根據隨機數的數值延遲一個時間，比如1452 就延時1.452秒，1786就延時1.786秒。這個延時就代替老爸的大腦反應時間。延時結束時程序點亮一個小燈，代表老爸鬆手，鈔票下落。人看到燈光時立刻反應按下電鈕，代表捏鈔票的動作。計算機會自動記下從燈亮起到按鈕按下的時間。哇，這樣隨機延時不但模擬了弱智老爸，測量的反應時間還能精確到千分之一秒！而且按電鈕的動作遠比釋放鈔票、捏住鈔票那樣的動作簡單規範，因此由於肌肉動作差異造成的時間誤差就可以大大減少。小剛這麼試了幾次後，覺得還應該加個聲音信號，用“滴”一聲代表老爸説的“準備！”。這樣第一次按電鈕動作結束後可以等一下，聽到“滴”一聲再集中注意力對燈亮進行反應，兩次按電鈕的動作就不會互相干擾了（圖4）。小剛不知道，其實省城大學裏那台花了幾十萬美金進口的儀器幾乎是一模一樣的設計，而他設計的實驗已經能與研究生的設計媲美了。
小剛用自己造的儀器做了多次實驗，測到了自己的反應時間大約是0.2秒。那麼鍛鍊是否能提高反應速度呢？小剛自己訓練了好多天，發現確實能縮短反應時間，可是隻能提高一點點，達到0.18秒左右就提高不上去了。
為什麼會這樣呢？這時小剛也覺得這個問題深不見底，涉及神經科學的很多知識。自己知道的不夠，就去請教在省城教師範的二叔。二叔是個書呆，戴着酒瓶底那麼厚的眼鏡，慢條斯理地説，反應時間對人類在自然界中的生存是非常重要的。現代人是抓鈔票，而原始人要抓兔子，反應慢不但會捱餓，而且會被獅子吃掉。
由於神經系統的設計限制，反應速度是不能無限提高的。人在感覺到視覺或聽覺的刺激時，先把刺激信號由眼睛或耳朵變成神經信號，再傳入大腦皮層而使人得到感知。在這個過程中，人只對有特定意義的刺激才會感知。比如你在抓鈔票時只會注意到鈔票的運動，而旁邊的其他風吹草動都會視而不見。感知過程完成後，人才能有所反應。反應的第一步要有運動計劃，就是要佈置好反應中各種肌肉的運動協調。比如你在抓鈔票前手指是繃緊的，即控制手指伸展的肌肉和讓手指彎曲的肌肉都在用力，二者平衡後保持手指和鈔票間的夾縫空間。而在感知到鈔票下落時，大腦會命令手指彎曲肌肉近一步收縮，而手指伸展肌肉則放鬆，這樣才能捏住鈔票。這一系列肌肉協調的運動要在大腦皮層裏有一個計劃，然後再執行。總之，複雜的神經處理限制了總的反應時間。因此你不管怎樣鍛鍊，也不能像金庸小説裏的武俠那樣，看對手打過來的拳都是慢動作，有足夠的時間見招拆招。
有人研究了2008年北京奧運會上短跑運動員對發令槍的反應時間，女子平均是0.169秒，男子是0.166秒。這些運動員都經過了長時間的訓練，但反應時間的提高的卻非常有限。只有大約一千個人裏才能有一個人達到0.10秒（男）和0.12秒（女）。一般人類對視覺（看鈔票動）的反應時間平均在0.19秒左右。對聲音（發令槍）的反應快些，大約在0.17秒左右。為啥對聲音反應快些呢？可能是因為聲音從耳蝸傳進大腦時間短點，比眼睛的信號傳進大腦要快0.02秒。
講完這些，二叔眨眨他那小得幾乎看不見的眼睛，説：如果讓你對有兩個選項的視覺信號進行反應，時間就要長多了。比如足球守門員在罰點球的時候要根據眼睛看到的信息決定向左撲或是向右撲，這個二選一的反應時間約是0.38秒，而球從踢出來達到球門只需要0.3秒，所以想通過看足球的運動來判斷，是不可能把點球撲出來的，就像抓不到鈔票一樣。可是守門員經過長期訓練，可以通過對對手踢球前的動作來猜測，這樣可以在球還沒動的時候就啓動撲球動作，贏得寶貴的0.1秒時間，撲出點球。因此，對球員踢點球的訓練也包含各種假動作，用來誘惑守門員做出錯誤的方向判斷。
二叔的話讓小剛很興奮。他説：“我從五歲就開始打羣架，那時的帶頭大哥就教我，擋拳頭要看對方肩膀的動作，因為掄拳頭之前肩膀一定要先動做好準備。原來根據肩膀的運動就有更多的時間判斷，擋拳頭才能百發百中。”
二叔拍拍小剛的肩膀，“一看就是個聰明孩子，你看這人類反應時間這麼個看似簡單的問題居然研究了幾百年，至今還是各種心理物理學實驗的基礎。你好好混過中學時代，到時候考北大李教授的自主招生吧！”小剛自信地説：“沒問題，我早學會了看監考老師的視線方向，偷看同學試卷從來沒失手過，不複習考試也能及格。”
老媽一看倆人説得離譜，馬上打斷説：“這不行！你給我好好學習！聽老師話，決不能偷懶摻假！”二叔擠擠小眼睛説：“你在預考前做幾尺厚輔導習題集用的功夫，完全可以看完研究生讀的那本神經生物學入門書（圖5）。咱們上學和看菜攤一樣，也要處處長心眼，垃圾知識要學會繞着走，老師發飆要會躲。中學那點數理化，一個暑假就看完了。省下時間可以讀點經典的原始研究文章，邊讀邊仔細想！“
“小剛，你的路子是對的，通過設計自己的實驗來學習其實是最好的方式，也叫做主動學習。你小學時代就會設計抓鈔票的實驗，中學、大學一定能設計更精美的實驗，萬一以後你能發現個影響人類反應時間的基因，肯定能混個教授當，你叔也能跟着你沾光！”爺倆像打了雞血似地越説越來勁，一起到鎮上擼串、打電玩去了。