Le cascate

  • In Articoli
  • 17-10-2011
  • di Stefano Vezzani
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Fig. 1a. Le figure sono tratte da H. P. Bowditch e G. S. Hall, "Optical illusions of motion", Journal of Physiology, 3, pagg. 296-301, 1882
Le illusioni visive sono tra i fenomeni più affascinanti che si possano osservare. Tutti ne conoscono almeno alcune, ma si tratta in genere di effetti che possono essere sperimentati solo su carta o su monitor. Anche la natura offre però molte occasioni per osservare illusioni visive impressionanti, e anzi le più impressionanti in assoluto, in certi luoghi particolari. Pochi sanno che tra questi luoghi ci sono le cascate.

Se ne rese conto per la prima volta nel 1834 Robert Addams, un docente londinese di filosofia naturale, quando visitò l’allora famosa cascata del fiume Foyers, che cade nella parte sud-est del Loch Ness, lago scozzese famoso nel mondo per ben altre ragioni.

La cascata è alta 50 metri, ed è stata più volte celebrata dai poeti per la sua bellezza, ma oggi non è più così incantevole, perché da oltre un secolo ne è stata molto ridimensionata la portata. In quell’occasione, Addams si conquistò un piccolo posto nella storia della scienza osservando in modo del tutto casuale un fenomeno portentoso:

“Avendo fissato per alcuni secondi una parte specifica della cascata [...] e avendo poi improvvisamente diretto i miei occhi a sinistra, per osservare la superficie delle tetre rocce consumate dal tempo immediatamente contigue alla cascata, vidi la superficie rocciosa come in moto verso l'alto, e con una velocità apparente uguale a quella dell'acqua che scendeva e che poco prima aveva preparato i miei occhi a contemplare questo singolare inganno”.

Dunque, Addams notò che, dopo aver guardato abbastanza a lungo una cascata, oggetti immobili sembrano muoversi verso l'alto. Da quel giorno, questo fenomeno sconcertante è noto come illusione della cascata. Esso può essere osservato molto facilmente: basta tenere lo sguardo quanto più possibile fermo su una qualunque cascata per circa 40 secondi, spostandolo poi su oggetti immobili, ad esempio sulle rocce contro cui l’acqua scorre. L’illusione dura alcuni secondi, ma tanto più quanto più a lungo si fissa la cascata. Essa si verifica solo in quella parte del campo visivo che è stata poco prima stimolata dal movimento, ed è dunque tanto più evidente quanto maggiore è la porzione di campo visivo occupata dalla cascata, per cui se si vuole ottenere un buon effetto non si deve osservare una piccola cascata da lontano.

L’illusione della cascata è un effetto consecutivo negativo di movimento, o MAE (Motion After-Effect). L’effetto è detto consecutivo perché segue l’osservazione di un movimento, e negativo perché la direzione del movimento illusorio è opposta a quella del movimento reale osservato in precedenza.

L’effetto è talmente clamoroso, e talmente semplice da osservare, che viene da chiedersi come sia possibile che non sia mai stato descritto prima. A fenomeni simili, ma probabilmente più deboli, accennarono già Aristotele e Lucrezio, e pochi anni prima di Addams il fisiologo Jan Evangelista Purkinje, ma fino al 1834 nessuno aveva mai descritto l’illusione formidabile prodotta da una cascata.

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Fig. 1b.
Di lì a qualche anno divenne chiaro che l’effetto si verifica non solo con le cascate, e dunque con movimenti verso il basso, ma con movimenti di ogni tipo. Nel corso dell’Ottocento si sperimentò con gli stimoli più vari. La figura 1a mostra uno strumento per la riproduzione dell’illusione della cascata: la parte centrale veniva fatta muovere verso l’alto o verso il basso, e sembrava muoversi in direzione opposta quando veniva fermata. Particolarmente utilizzate furono spirali come quella della figura 1b. Dopo aver osservato a lungo una spirale che sembra contrarsi, oggetti immobili sembrano espandersi, e viceversa[1].

Come si spiega l’illusione della cascata? L’effetto dipende interamente da quanto avviene nel cervello, e più precisamente nella corteccia. Il meccanismo causale che lo genera, però, non è ancora del tutto chiaro. Una spiegazione ritenuta molto plausibile, ma non ancora dimostrata in tutte le sue componenti, è la seguente.

Secondo questa teoria, la direzione apparente di qualsiasi movimento dipende dal rapporto tra l’attività di molti gruppi di neuroni sensibili al movimento, ciascuno dei quali ha una diversa direzione preferita, emette cioè impulsi nervosi con maggiore frequenza quando è stimolato da movimenti in una certa direzione specifica, diversa da quella di ciascuno degli altri gruppi.

Per semplicità fingiamo che esistano solo due gruppi di tali neuroni, sensibili soltanto a movimenti rispettivamente verso il basso e verso l'alto. Quando tutti i neuroni sono attivi nella stessa misura lo stimolo appare statico, mentre se uno dei due gruppi è più attivo dell’altro si percepisce movimento nella direzione a cui tale gruppo è sensibile. Ad esempio, se i neuroni più attivi sono quelli che rispondono al movimento verso il basso si percepirà appunto movimento verso il basso, e il movimento sarà tanto più veloce quanto maggiore sarà la differenza di attività tra i due gruppi di neuroni.

I neuroni emettono impulsi nervosi anche quando non sono stimolati, ovvero hanno una frequenza di scarica spontanea, per cui quelli sensibili al movimento producono impulsi anche quando non c’è nulla che si muove. Quando un neurone viene stimolato in modo persistente la sua frequenza di scarica inizialmente aumenta, e poi decresce gradualmente, senza però mai scendere sotto il livello spontaneo; quando poi lo stimolo, dopo essere stato presente per un periodo relativamente lungo, cessa, la frequenza di scarica del neurone scende sotto quella spontanea, per poi tornare gradualmente al livello spontaneo. È quest’ultima caratteristica dei neuroni che determina l’illusione della cascata.

Infatti, supponiamo che stiamo osservando una cascata, e che la osserviamo a lungo. Gli unici neuroni che risponderanno saranno quelli sensibili al movimento verso il basso. Quando però spostiamo lo sguardo sulle rocce, la frequenza di scarica dei neuroni in questione scenderà sotto quella spontanea, perché ora quei neuroni non saranno più stimolati dopo esserlo stati per un lungo periodo. La frequenza di scarica dei neuroni sensibili al movimento verso l’alto, invece, sarà al livello spontaneo, dal momento che questi ultimi non saranno stati stimolati dal movimento dell’acqua verso il basso, e di conseguenza i neuroni più attivi saranno questi ultimi. Ciò determina l’illusione della cascata, dal momento che, come si è detto, il movimento percepito è sempre nella direzione a cui sono sensibili i neuroni più attivi. Dopo un po’ l’attività dei neuroni sensibili al movimento verso il basso tornerà a livello spontaneo, per cui tutti i neuroni avranno lo stesso livello di attività e l'illusione cesserà.

Per un lungo periodo pochi hanno dubitato che la teoria suddetta fosse corretta. Tuttavia, non è stato ancora confermato che il movimento percepito dipenda dal rapporto tra l’attività di diversi gruppi di neuroni, e negli ultimi anni, anche se si continua a pensare che la teoria in questione descriva buona parte della verità, si è cominciato a sospettare che non la descriva tutta. Non è comunque il caso di approfondire ulteriormente l’argomento.

Quello di movimento è l’effetto consecutivo più noto e studiato, ma nel corso del Novecento ne sono stati scoperti molti altri, a carico di tutti gli attributi degli stimoli visivi: forma, colore, grandezza, orientamento, etc.

Ad esempio, nella figura 2 l’effetto consecutivo negativo riguarda la grandezza o, più precisamente, la frequenza spaziale. Ci sono quattro rettangoli formati da barre di diverso spessore. In alto, le barre sono molto più spesse a sinistra che a destra, mentre in basso esse hanno tutte lo stesso spessore. Si fissi per almeno 40 secondi la barretta rossa posta tra i due rettangoli superiori, muovendo lo sguardo ma mantenendolo sempre all’interno della barretta. Si sposti poi lo sguardo sul rettangolo verde. Ora le barre sembreranno più spesse a destra che a sinistra, sembreranno cioè più spesse in quella parte del campo visivo che fino a poco prima era stata occupata dalle barre più strette.

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Fig. 2.


Nella figura 3 l’effetto consecutivo negativo riguarda l’orientamento. Dopo aver mantenuto lo sguardo per almeno 40 secondi all’interno della barretta rossa, quando lo si sposterà su quella verde le barre di sinistra sembreranno inclinate verso sinistra e quelle di destra verso destra, contrariamente a quanto avviene nella parte superiore della figura.

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Fig. 3.


Nella figura 4, si noti che la densità dei punti, nei due quadrati inferiori, è la stessa. Si segua la solita procedura, fissando la barretta rossa per almeno 40 secondi e poi spostando lo sguardo su quella verde: ora i punti dovrebbero sembrare più densi a destra che a sinistra, contrariamente a quanto avviene nei due quadrati superiori.

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Fig. 4.


Anche questi effetti consecutivi, come tanti altri, vengono spiegati in modo simile al MAE. L’unica differenza è che essi non sono causati dai neuroni sensibili al movimento, ma da quelli sensibili alla frequenza spaziale, all’orientamento, etc. Per il resto il ragionamento è lo stesso.

Note

1) Si può acquistare un oggetto come questo presso i negozi della Città del Sole, oppure qui: http://tinyurl.com/3mlf3lo . Si possono osservare stimoli simili online presso questi siti: http://tinyurl.com/4ggb8 e http://tinyurl.com/28xo2fk . Un programma che genera una specie di spirale può essere scaricato da qui: http://tinyurl.com/8p4zs .