Xoay hình trong đầu là việc ta tưởng tượng một vật quay quanh một trục để so nó với vật khác. Năm 1971, Roger Shepard và Jacqueline Metzler ở Đại học Stanford chứng minh điều đó bằng một thí nghiệm nổi tiếng: góc lệch giữa hai hình càng lớn, người ta càng mất nhiều thời gian để trả lời, đều đặn như thể đang xoay một vật thật.
Kết quả này được đăng trên tạp chí Science và trở thành một trong những thí nghiệm được trích dẫn nhiều nhất của tâm lý học nhận thức. Nó cho thấy hình ảnh trong đầu không chỉ là cảm giác mơ hồ mà có thể đo được bằng đồng hồ bấm giờ.
Thí nghiệm được làm thế nào
Shepard và Metzler vẽ những khối lạ ghép từ mười hình lập phương nhỏ, nối thành một chuỗi gấp khúc có ba chỗ rẽ. Mỗi lần, người tham gia nhìn một cặp hình vẽ phối cảnh đặt cạnh nhau và trả lời một câu duy nhất: hai hình này là cùng một vật (chỉ bị xoay) hay là hai vật khác nhau (một vật là ảnh soi gương của vật kia)?
- Góc lệch giữa hai hình thay đổi từ 0 đến 180 độ, mỗi bậc 20 độ.
- Có cặp xoay trong mặt phẳng tờ giấy, có cặp xoay theo chiều sâu, tức là quay "vào trong" tờ giấy.
- Chỉ có tám người tham gia, nhưng bộ hình gồm tới 1.600 cặp, nên mỗi người làm rất nhiều lượt qua nhiều buổi.
- Người tham gia bấm nút ngay khi chắc chắn, máy ghi lại thời gian phản ứng.
Các cặp "khác nhau" được làm cố ý là ảnh soi gương, vì chỉ có cách đó mới không thể biến hình này thành hình kia bằng cách xoay. Muốn trả lời đúng, người ta buộc phải thật sự hình dung.
Kết quả: một đường thẳng đáng kinh ngạc
Với các cặp "cùng một vật", thời gian trả lời tăng gần như tuyến tính theo góc lệch. Lệch 0 độ, người ta trả lời trong khoảng một giây. Lệch 180 độ, mất khoảng bốn đến năm giây. Vẽ lên đồ thị, các điểm xếp gần thẳng hàng.
| Điều quan sát được | Ý nghĩa |
|---|---|
| Thời gian tăng đều theo góc | Hình ảnh được "quay" từ từ qua các góc trung gian, không nhảy cóc |
| Tốc độ khoảng 60 độ mỗi giây | Xoay trong đầu chậm hơn nhiều so với nhìn một vật thật quay |
| Xoay trong mặt phẳng và xoay theo chiều sâu cho đường gần giống nhau | Người ta xoay một mô hình ba chiều, không phải xoay một bức ảnh phẳng |
| Người tham gia kể lại "tôi tưởng tượng quay nó" | Cảm nhận chủ quan khớp với số đo |
Dòng thứ ba là phát hiện tinh tế nhất. Nếu người ta chỉ so hai bức ảnh phẳng, xoay theo chiều sâu đáng lẽ phải khó hơn nhiều vì hình dạng trên giấy thay đổi hẳn. Việc hai kiểu xoay mất thời gian gần bằng nhau gợi ý rằng trong đầu có một thứ giống vật thể ba chiều.
Cuộc tranh luận về hình ảnh trong đầu
Thí nghiệm này rơi đúng vào một cuộc tranh luận lớn thập niên 1970. Một phía, đại diện là Stephen Kosslyn, cho rằng não lưu giữ hình ảnh dưới dạng giống tranh, có không gian bên trong. Phía kia, đại diện là Zenon Pylyshyn, cho rằng mọi suy nghĩ đều là những mệnh đề dạng ngôn ngữ, cảm giác "thấy hình" chỉ là phụ.
Pylyshyn phản biện rằng người tham gia có thể vô thức biết "xoay nhiều thì phải lâu" và tự điều chỉnh. Phía Kosslyn đáp lại bằng các thí nghiệm khác, như quét mắt trên bản đồ tưởng tượng: khoảng cách trên bản đồ càng xa, thời gian quét càng lâu. Đến nay, đa số nhà nghiên cứu chấp nhận rằng não có những biểu diễn mang tính không gian, nhưng cuộc tranh luận về bản chất của chúng chưa khép lại hẳn.
Những gì người ta học thêm sau năm 1971
Bài thử xoay hình trở thành công cụ chuẩn
Năm 1978, Steven Vandenberg và Allan Kuse dựa vào khối của Shepard – Metzler để làm bài thử giấy bút gồm 20 câu. Mỗi câu có một hình mẫu và bốn lựa chọn, người làm phải chọn đúng hai hình là mẫu đã xoay. Bài này về sau được dùng trong hàng nghìn nghiên cứu.
Trẻ nhỏ cũng xoay hình
Các thí nghiệm với hình con vật đơn giản cho thấy trẻ bốn, năm tuổi đã có biểu hiện xoay hình: thời gian tăng theo góc lệch, dù chậm và hay sai hơn người lớn.
Tay giúp đầu
Nhiều nghiên cứu sau này thấy khi người ta vừa xoay hình trong đầu vừa xoay tay cùng chiều, họ làm nhanh hơn; xoay tay ngược chiều thì chậm đi. Vùng não điều khiển vận động cũng sáng lên khi xoay hình. Điều này giải thích vì sao nhiều người hay vô thức xoay cổ tay khi nghĩ.
Không phải ai cũng xoay giống nhau
Người giỏi thường xoay cả khối một lượt. Người kém hơn hay xoay từng phần rồi ghép, dễ "đánh rơi" một đoạn giữa chừng. Một số người không xoay mà dùng mẹo đếm: đếm số khối ở mỗi nhánh, kiểm hướng của đầu cuối. Mẹo này đúng được nhiều câu nhưng chậm hơn khi hình phức tạp.
Vì sao ảnh soi gương lại khó đến thế
Ảnh soi gương có mọi đặc điểm giống bản gốc: cùng số khối, cùng độ dài các nhánh. Chỉ khác "chiều xoắn". Đôi tay ta là ví dụ rõ nhất: tay trái và tay phải giống hệt nhưng không thể xoay tay này để chồng khít tay kia. Trong hoá học, tính chất này gọi là tính bất đối xứng (chirality), và có những phân tử thuốc chỉ phiên bản "tay phải" mới có tác dụng.
Vì không có đặc điểm bề mặt nào để phân biệt, cách chắc chắn duy nhất là xoay một hình cho trùng hướng hình kia rồi xem có khít không. Đó là lý do thí nghiệm Shepard – Metzler buộc người ta dùng đến hình ảnh trong đầu.
Góc nhìn hôm nay: tự thử xoay hình
Không cần phòng thí nghiệm để cảm nhận hiệu ứng này:
- Ghép mười viên khối gỗ hoặc gạch nhựa thành một chuỗi gấp khúc giống hình Shepard – Metzler. Làm thêm một chuỗi là ảnh soi gương của nó.
- Nhờ người khác đặt hai chuỗi ở những góc khác nhau, bạn nhìn và đoán cùng hay khác, có người bấm giờ.
- Ghi lại thời gian ở góc nhỏ và góc lớn. Bạn sẽ thấy chính mình chậm dần khi góc lớn dần.
Muốn đọc nguyên văn, bài gốc tên là "Mental rotation of three-dimensional objects", đăng trên Science số 171 năm 1971. Bài chỉ dài ba trang, dễ đọc với người biết tiếng Anh. Roger Shepard còn nổi tiếng với các hình ảo giác như "lật bàn", nếu tò mò có thể tìm cuốn Mind Sights (1990) của ông.
Câu hỏi thường gặp
Thí nghiệm xoay hình của Shepard và Metzler là gì?
Là thí nghiệm năm 1971, người tham gia xem hai hình khối vẽ phối cảnh và quyết định chúng là cùng một vật bị xoay hay là ảnh soi gương của nhau. Thời gian trả lời tăng tuyến tính theo góc lệch, cho thấy người ta xoay hình trong đầu từ từ.
Con người xoay hình trong đầu nhanh cỡ nào?
Trong thí nghiệm gốc, tốc độ trung bình khoảng 60 độ mỗi giây với khối mười hình lập phương. Tốc độ thay đổi theo độ phức tạp của hình và theo từng người, và tăng lên khi luyện tập.
Vì sao phân biệt ảnh soi gương lại khó?
Vì ảnh soi gương có cùng mọi chi tiết với bản gốc, chỉ khác chiều xoắn, giống tay trái và tay phải. Không thể xoay hình này để chồng khít hình kia, nên phải hình dung xoay thật mới biết.
Bài thử xoay hình Vandenberg – Kuse là gì?
Là bài thử giấy bút 20 câu công bố năm 1978, dựng từ khối của Shepard – Metzler. Mỗi câu có một hình mẫu và bốn lựa chọn, người làm chọn đúng hai hình là mẫu đã xoay. Nó là một trong những bài đo kỹ năng không gian được dùng nhiều nhất.
Trẻ em có xoay hình trong đầu được không?
Có. Trẻ bốn, năm tuổi đã cho thấy thời gian tăng theo góc lệch khi so hình đơn giản, dù chậm và sai nhiều hơn người lớn. Khả năng này tiến bộ dần theo tuổi và theo kinh nghiệm chơi xếp khối, ghép hình.