Psychofizyka

Psychofizyka jako znaczący kierunek psychologiczny

Jak głośny musi być alarm przeciwpożarowy, aby robotnicy mogli go dosłyszeć wśród huku maszyn? Jakie musi być natężenie światła ostrzegawczego na tablicy rozdzielczej pilota, aby było odebrane jako dwukrotnie silniejsze od pozostałych świateł? Jaka powinna być głośność motocykla, aby oskarżyć jego właściciela o zakłócanie porządku? Wiele takich pytań praktycznych pojawia się podczas ustalania norm bezpieczeństwa, projektowania poszczególnych urządzeń i rozważania kwestii prawnych. Żeby na nie odpowiedzieć, musimy umieć w jakiś sposób mierzyć natężenie doznań zmysłowych. Zadanie to jest realizowane przez zestawienie doznań psychicznych z fizycznym natężeniem bodźców. Podstawowe zadanie psychofizyki, a więc nauki będącej przedmiotem naszego referatu, polega na badaniu regularnych korelacji między bodźcem fizycznym, a zachowaniem lub doznaniem psychicznym czy umysłowym, które ten bodziec wywołuje. Psychofizyka to najstarszy obszar badawczy w psychologii. Stanowiła ona podsumowanie wykonywanych do owego czasu przez fizyków i fizjologów (m.in. przez Mullera, Purkiniego, Webera, Valkmana, Steinbucha) badań psychologicznych nad wrażliwością zmysłów.
Najważniejszą postacią w historii psychofizyki był niemiecki fizyk i fizjolog oraz filozof z zamiłowania Gustaw Teodor Fechner, który w3ykładał na Uniwersytecie Lipskim (podobnie jak Wilhelm Wundt). Stworzył on sam termin psychofizyka oraz obiektywne miary i zestaw procedur do badania relacji między intensywnością bodźca fizycznego- mierzoną w jednostkach fizycznych- a wielkością doznania sensorycznego- mierzoną w jednostkach psychologicznych. Fechner uważał psychofizykę za klucz do zrozumienia relacji między funkcjami cielesnymi- wykrywaniem bodźców fizycznych przez receptory- a funkcjami psychicznymi- odczuwanymi i relacjonowanymi poprzez wrażenia.
Zatem psychofizyka to ?nauka ścisła o stosunkach funkcjonalnych oraz stosunkach zależności między duszą i ciałem, a ogólnie: między światem cielesnym i duchowym, fizycznym i psychicznym?. Tak właśnie jej twórca- Fechner określał ją w swoim dwutomowym, wydanym w roku 1860 dziele ?Elemente der Psychophysik?. Psychofizyka miała być samodzielną nauką, której przedmiotem byłyby zagadnienia z pogranicza przyrodoznawstwa i psychologii. Fechner podzielił psychofizykę na zewnętrzną, zapożyczającą instrumentarium i metody badań od fizyki oraz wewnętrzną, opierającą się na fizjologii i anatomii układu nerwowego. Wyszedł on z założenia, że skoro każde zjawisko psychiczne jest przejawem zjawiska fizycznego, a każdemu stanowi świadomości towarzyszy równolegle przebiegający proces ruchowy, to można się pokusić o zmierzenie procesu psychicznego za pośrednictwem procesu fizycznego. I takie właśnie zadanie stawia przed sobą Fechner, przekonany, że w sposób empiryczny zdoła odpowiedzieć na odwieczne pytania filozofów o stosunek materii do ducha, które od stuleci usiłowali oni rozwiązać, posługując się metodami racjonalnymi. Tę wyraźnie paradoksalną wizję zjednoczenia dwóch, z założenia niesprowadzalnych do siebie nawzajem światów fizycznego i psychicznego zamierzał Fechner urzeczywistnić w języku matematyki. Problem nie był zatem nowy, nowy był sposób jego rozwiązania.
Techniki psychofizyczne Gustawa Fechnera służyły do pomiaru siły wrażenia doznawanego przez przytomny, normalny organizm w reakcji na bodźce o różnej sile. Niezależnie od tego, czy były to bodźce świetlne, dźwiękowe, smakowe, zapachowe lub dotykowe, technika ich pomiaru pozostawała ta sama: ustalanie progów i konstruowanie skal psychofizycznych odnoszących siłę wrażenia do siły bodźca. Te techniki mierzyły dwa rodzaje progów- a więc granicy, której przekroczenie pozwalało odczuć zmysłowo bodziec lub zmiany w jego intensywności- progi absolutne i progi różnicy. Badacze mierzą absolutne progi psychofizyczne- czyli minimalne ilości energii fizycznej potrzebne do wytworzenia doznania sensorycznego- prosząc badanych o wykonanie różnych zadań detekcji, na przykład dostrzeżenia bladego światła w ciemnym pomieszczeniu albo cichego dźwięku w pomieszczeniu wytłumionym dźwiękowo. W serii wielu prób prezentuje się bodźce o różnej intensywności, a w każdej próbie badani stwierdzają, czy je zauważyli. Wyniki badań progu absolutnego można pokazać w postaci funkcji psychometrycznej- wykresu, który przedstawia procent reakcji rozpoznania bodźców o różnej sile. Zgodnie z klasycznymi poglądami na progi absolutne, bodźce poniżej progu nie wywołują żadnego wrażenia, bodźce powyżej niego - wywołują je. Ponieważ jednak bodziec nie jest jednoznacznie wykrywalny w konkretnym punkcie, próg absolutny dla danej osoby najtrafniej zdefiniować jako siłę bodźca, przy której jest on wykrywany w połowie dużej liczby prób. Ustalanie progu różnicy- czyli najmniejszej różnicy fizycznej wartości dwóch bodźców, która może zostać dostrzeżona, odbywa się z w znacznej mierze w ten sam sposób, co ustalanie progu absolutnego, tyle że zamiast pytać o samą obecność bodźca, dla oszacowania progu różnicy stosuje się w każdej próbie pary bodźców i prosi osoby badane o stwierdzenie, czy one się różnią. Próg różnicy definiuje się operacyjnie jako punkt, w którym bodźce są rozpoznawane jako różne w połowie prób, zaś wartość progu różnicy określa się jako ledwie dostrzegalną różnicę (JND). Należy jednak dostr4zec, iż pomiary progów mogą zostać zakłócone przez tendencyjność reakcji, a więc systematyczną skłonność obserwatora do reagowania w określony sposób z powodu czynników nie związanych z sensorycznymi cechami bodźca. Na przykład ktoś może nadużywać odpowiedzi tak w zadaniu detekcji, ponieważ chce otrzymać pracę wymagającą dużej wrażliwości, ktoś inny może faworyzować nie, jeśli pozwoli mu to uniknąć niebezpiecznych zadań zawodowych, przydzielanych tylko osobom o dużej wrażliwości. Tendencyjność reakcji powstaje najczęściej w sytuacjach mających ważne konsekwencje dla życia badanego. Wyróżniono co najmniej trzy źródła tendencyjności: pragnienie, oczekiwanie i nawyk. Badacze, ażeby wykrywać takie zniekształcenia w testach stosują tzw. progi podchwytliwe. W niektórych próbach nie prezentują w ogóle bodźca, by wyodrębnić osoby o nadmiernej skłonności do odpowiedzi tak, a następnie szacując próg, biorą poprawkę na częstotliwość takich fałszywych alarmów. Istotną rolę w problemie tendencyjności reakcji odgrywa teoria zwana teorią detekcji sygnałów. Jest ona podejściem konkurencyjnym wobec klasycznego podejścia w psychofizyce. Zamiast skupiać się bezpośrednio na procesach sensorycznych, kładzie nacisk na tworzenie sądów na temat obecności lub braku bodźca. Podczas gdy klasyczni psychofizycy opracowali pojedyncze pojęcie progu absolutnego, TSD rozróżnia w detekcji sygnałów dwa odrębne procesy, (a) wstępny proces sensoryczny, który odzwierciedla wrażliwość podmiotu na silę bodźca - siłę sygnału - oraz (b) następujący po nim, odrębny proces decyzyjny, który odzwierciedla tendencyjność typową dla podmiotu. Zniekształcenia te są źródłem siły szumu w systemie i prowadzą do niedokładnego oszacowania sygnału. Celem jest tu więc dokładne oszacowanie sygnału przez wykrycie zniekształcającego wpływu szumu. TSD proponuje procedurę ustalania progów, dzięki której można zbadać proces sensoryczny i decyzyjny za jednym zamachem. Procedura ta jest w zasadzie prostym rozwinięciem pomysłu prób podchwytliwych. W połowie prób prezentuje się słaby bodziec, w drugiej połowie nie prezentuje się żadnego bodźca. W każdej próbie badani odpowiadają tak, jeśli sądzą, że bodziec wystąpił, i nie, jeśli sądzą, że nie wystąpił. Badany, który jest potakiwaczem (nagminnie odpowiada tak), uzyska dużą liczbę trafień, ale także fałszywych alarmów, ten, który jest negatywistą, będzie miał mniejszą liczbę zarówno trafień, jak i fałszywych alarmów. Kombinacja procentów trafień i fałszywych alarmów tworzy relację matematyczną pozwalającą odróżnić reakcję sensoryczną od jej zniekształceń. Procedura ta umożliwia stwierdzenie, czy dwaj badani dysponują taką samą wrażliwością pomimo znacznych różnic w tendencyjności ich reakcji. Podejście TSD dominuje obecnie w nowoczesnej psychofizyce. Istotne jest również to, że dostarcza ono modelu podejmowania decyzji także w innych sytuacjach. W życiu codziennym wiele decyzji pociąga za sobą rozmaite nagrody za każde trafienie i uzasadnione odrzucenie, a kary za każde chybienie i fałszywy alarm, jest więc prawdopodobne, że decyzje te zniekształcą rozkład przewidywanych zysków i strat. Taką matrycę detekcji zwie się macierzą wypłat. Jeśli powiedzenie tak, kiedy bodziec jest rzeczywiście obecny, daje znaczny zysk, a powiedzenie w tej samej sytuacji nie prowadzi do znacznych strat, to wystąpi tendencyjność w kierunku tak.
Jednakże rozpatrując znaczenie psychofizyki zauważyć należy, że intelektualnym zalążkiem Fechnerowskiej nauki były eksperymentalne badania nad zmysłem dotyku oraz wzroku i słuchu, prowadzone przez niemieckiego fizjologa i psychologa z Lipska- Ernsta Heinricha Webera. Jego eksperymenty dotykowe polegały na naciskaniu skóry włoskiem skalibrowanym, na notowaniu siły nacisku w miligramach lub gramach oraz wypowiedzi danej osoby, co do doznanego wrażenia. W wyniku eksperymentów Weber stwierdził w 1846 roku, że aby można było zauważyć różnicę intensywności bodźca (później także jego jakości), jego początkowa wielkość musi się zwiększyć o pewien stały ułamek. Inaczej mówiąc, próg różnicy jest wprost proporcjonalny do wielkości bodźca, czyli:

? I : I = k

gdzie,

I - intensywność bodźca wzorcowego, w stosunku do którego dokonuje się porównań,
? I - ledwie dostrzegalny przyrost intensywności,
k - stała.

Był to fakt w nauce nowy, aczkolwiek intuicyjnie od dawna znany. Mianowicie każdemu wiadomo z doświadczenia powszedniego, że zdolność zauważania przybytku lub ubytku intensywności bodźca, na przykład ciężaru na plecach czy też siły światła, zależy nie od absolutnej wielkości przybytku lub ubytku, lecz od wielkości dotychczasowej intensywności bodźca. Wprawdzie już w 1852 roku Herman Lotze (1817- 1881), fizjolog niemiecki i uczeń
Ernsta Heinricha Webera zainteresował się odkryciem swojego nauczyciela, ale to zainteresowanie miało u niego charakter czysto spekulacyjny. Dopiero Gustaw Teodor Fechner, przeprowadziwszy na sobie samym ogromną liczbę pracochłonnych i zapewne niezwykle nużących pomiarów psychofizycznych, z pomocą trzech metod pomiaru: metody granic, bodźców stałych oraz dostosowywania, wyprowadził na ich podstawie z wypracowanej przez Webera formuły, wyrażającej proporcjonalność przyrostu (tzw. ?ułamek Webera?) zależność funkcyjną, która mówi, że siła wrażenia zmienia się wprost proporcjonalnie do logarytmu siły wywołującego je bodźca. Innymi słowy, wzrostowi bodźca fizycznego w postępie geometrycznym towarzyszy wzrost subiektywnego doznania w postępie arytmetycznym.
Jest więc:

S= k log R

gdzie,

S - wrażenie,
K - stała,
R - bodziec.

Fechner wielkodusznie nazwał tę zależność ?prawem Webera?, oddając tym samym przywilej ojcostwa psychofizyki właśnie Weberowi. Dopiero późniejsi autorzy nazwali je ?prawem Webera- Fechnera? dla upamiętnienia ważnego współudziału autora ? Elementów psychofizyki? w jego sformułowaniu. To empiryczne prawo, które miało odnosić się do wszystkich zmysłów, jeszcze za życia Fechnera stało się przedmiotem polemik i krytyk (m.in. F. Brentano, W. Jamesa, J. Warda, Th. Ribota i innych) w których wskazywano między innymi na to, że jest ono ważne tylko dla niektórych zmysłów i to w określonych granicach, a sam Fechner miał błędnie zinterpretować naturę procesów psychicznych, które są bardziej biologiczne niż matematyczne. Wbrew krytykom Gustaw Fechner pozostał jednak do końca życia wierny swojej nauce, nie tylko broniąc jej przed zarzutami, ale wręcz podtrzymując zdecydowanie swoje stanowisko. Gdyby nawet przyjąć, że Fechnerowi nie powiódł się zamiar empirycznego potwierdzenia metafizycznych relacji ciało ? dusza, czyli ilościowego ujęcia psychiki, to i tak zasłużył sobie na miano wynalazcy praktycznego sposobu konstruowania skal do pomiaru procesów psychicznych i tym samym przygotował podwalinę pod ilościową psychologię eksperymentalną, której czas już niebawem miał nadejść. Niewątpliwie stosunek świata fizycznego do świata psychicznego nie jest tak prosty, by dało się go adekwatnie opisać zależnością logarytmiczną. Na ten stosunek składa się przecież z jednej strony to, co zachodzi między bodźcem fizycznym i zmysłem, z drugiej natomiast- to, co się dzieje w mózgu. Być może Fechner uświadamiał sobie tę dwutorowość gdy wyróżniał dwie psychofizyki: wewnętrzną i zewnętrzną. Ale doniosłość historyczna dokonań obu autorów ?prawa Webera- Fechnera?, które doprowadziły do jego sformułowania polega przede wszystkim na tym, że Weber opisał ludzką zdolność odróżniania bodźców zmysłowych w zakresie ich wartości, ważnych z praktycznego punktu widzenia w życiu każdego człowieka, zaś Fechner pokazał jak w praktyce ten zakres dla każdego zmysłu można wyskalować, tak by dało się określić także stopień tej różnicy.
Współczesna psychologia posługuje się nadal terminem ?metody psychofizyczne? choć utracił on swój dawny, metafizyczny sens. Przykładem współczesnego eksperymentu psychofizycznego są metody warunkowania sprawczego reakcji u zwierząt. Zainteresowanie psychofizyką odżyło w drugiej połowie XX wieku, a jego wyrazem są prace S.S Stevensa, który opracował nową metodę tworzenia skal psychofizycznych, uzyskując wyniki odmienne od Fechnera. Stosując metodę zwaną ?szacowaniem wielkości? prosił on osoby badane o przypisywanie swym wrażeniom określonych liczb. Obserwatorom prezentowano bodziec wyjściowy, na przykład światło o ustalonym natężeniu i proszono ich o przypisanie mu jakiejś wartości, np. 10. Następnie prezentowano im inne światło o odmiennym natężeniu i proszono o przypisanie mu wartości 20, jeśli będzie dwukrotnie jaśniejsze. Gdyby było o połowę mniej jasne, powinni mu przypisać 5 itp. Kiedy Stevens skonstruował w ten sposób skale psychologiczne, stwierdził, że wyniki można opisać następującym matematycznym równaniem, znanym jako funkcja potęgowa:

S = kIb

gdzie,

S - wielkość doznania sensorycznego,
I - natężenie fizyczne bodźca ,
K - stała,
B - wykładnik zmienny dla różnych wymiarów zmysłowych.

Podejście Stevensa okazało się bardzo użyteczne , ponieważ w ten sposób można skalować prawie każdy wymiar psychologiczny. Psychologowie używali szacowania wielkości bodźca do bardzo rozmaitych zjawisk, od wysokości dźwięku i długości- poprzez urodę, wagę przestępstwa- do oceny szwedzkich monarchów. Bezpośrednia metoda szacowania wielkości opracowana przez Stevensa okazała się bardzo wygodna, a także bardziej użyteczna niż formuła Gustawa Fechnera.

Zmysły

System wzrokowy

Fotoreceptory siatkówki, pręciki i czopki, przekształcają energię świetlną na impulsy nerwowe. Komórki zwojowe siatkówki integrują pobudzenie z kilku receptorów i komórek dwubiegunowych, ich aksony tworzą nerwy optyczne, które spotykają się w skrzyżowaniu wzrokowym. Pewne informacje na temat położenia obiektów przetwarzane są we wzgórku górnym. Informacja o barwach i szczegółach przestrzennych przetwarzana jest w korze wzrokowej.
Długość fal świetlnych jest bodźcem dla barwy. Wrażenia barwy różnią się jakością, nasyceniem i jasnością. Kontrast jasności tworzy zarys i wyraźne krawędzie, co nadaje obiektowi wielkość, kształt i położenie.
Teoria widzenia barwnego jest połączeniem teorii trzech barw, zakładającej istnienie trzech receptorów barw, z teorią procesu przeciwstawnego zakładającą istnienie
systemów barwnych złożonych z elementów opozycyjnych. Wykrywanie cech bodźca odbywa się za pośrednictwem czynności komórek detekcji cech w siatkówce i wyższych ośrodkach wzrokowych oraz na analizie przestrzennych częstotliwości cykli jasność-ciemność. Badania dowodzą, że stymulacja pól odbiorczych neuronów wzrokowych powoduje złudzenie percepcji.

Słuch

Słyszenie jest efektem działania fal dźwiękowych zróżnicowanych pod względem częstotliwości, amplitudy i złożoności. W ślimaku fale dźwiękowe przekształcane są na fale płynu, które poruszają błonę podstawową. Komórki włosowate błony podstawowej wysyłają impulsy nerwowe do kory słuchowej. Teoria miejsca wyjaśnia kodowanie wysokich częstotliwości, a teoria częstotliwości - częstotliwości niskich. Narażenie na działanie głośnych dźwięków może spowodować czasowe upośledzenie słuchu. Dwa mechanizmy neuronalne przetwarzają względny czas i wysokość dźwięku docierającego do każdego z uszu.

Inne zmysły

Zmysł równowagi informuje o kierunku i tempie ruchu ciała. Zmysł kinestetyczny dostarcza informacji o pozycji części ciała i pomaga w koordynacji ruchowej. Węch i smak reagują na chemiczne właściwości substancji i współpracują w poszukiwaniu i próbowaniu jedzenia. Węch działa za sprawą wrażliwych na zapach komórek w głębi przewodów nosowych. Feromony są to sygnały chemiczne wykrywane węchem. Receptory smaku to kubki smakowe umieszczone w brodawkach, głównie na języku. Zmysły skórne (powierzchniowe) dostarczają wrażeń nacisku i temperatury. Ból jest reakcją ciała na bodźce potencjalnie szkodliwe. Reakcja fizjologiczna na ból składa się z reakcji chemicznych w siedzibie bólu i impulsów nerwowych przebiegających pomiędzy mózgiem i rdzeniem kręgowym. Ból jest po części reakcją psychologiczną, którą można modyfikować terapią kładącą nacisk na procesy umysłowe i odwracanie uwagi.

Doświadczenia Fechnera

Fechnera barwy- subiektywne doznania kolorów, pojawiające się gdy czarne i białe wycinki obracają się umiarkowanie szybko na kolorowym kole. Kiedy obroty zostaną spowolnione, występuje wówczas wrażenie szeregu czarnych promieni na białym tle.
Fechnera paradoks- zaskakujące odkrycie, mówiące o tym, że przedmiot oglądany jednym okiem wydaje się być jaśniejszy po uprzednim oglądaniu go dwoma oczyma.

Podsumowując- psychologia wrażeń zajmuje się powstawaniem doznań zmysłowych. Wrażenia obejmują wszelkie procesy sensoryczne, które zapewniają nam bezpośredni kontakt z energią fizyczną otaczającego świata. Na pierwszym etapie ogólnego procesu percepcji- spostrzegania- dokonuje się detekcja podstawowej intensywności i jakości bodźców odbieranych przez wiele receptorów rozmieszczonych w organizmie. Przykład energii fizycznej bodźców na kody nerwowe- transdukcja- jest procesem odpowiedzialnym za powstawanie wrażeń. Badania nad wrażeniami i spostrzeżeniami odgrywały wiodącą rolę już w początkach psychologii eksperymentalnej. Obecnie psychologowie badający wrażenia współpracują z fizjologami, biologami, genetykami i neurologami, by poznać proces, dzięki któremu energia fizyczna ze świata zewnętrznego przetwarzana jest na wrażenia w naszych dziesięciu zmysłach: wzroku, słuchu, zapachu, smaku, dotyku, ciepła, zimna, równowagi, kinestetycznym i bólu. Istnieją dwie główne gałęzie psychologii wrażeń: fizjologia wrażeń i psychofizyka. Fizjologia wrażeń to badanie tego, w jaki sposób mechanizmy biologiczne przemieniają zjawiska fizyczne w zjawiska nerwowe. Z kolei psychofizycy poszukują mierzalnych relacji, pomiędzy relacjami psychicznymi a bodźcami fizycznymi. Pionierskie prace nad precyzyjną oceną wzajemnego przyporządkowania procesów fizycznych i psychicznych w zakresie wrażeń były dziełem niemieckiego fizyka i fizjologa Gustawa Teodora Fechnera. W badaniach nad wrażeniami zasadnicze znaczenie ma ustalanie progów absolutnych, progów różnicy oraz ledwie dostrzegalnych różnic pomiędzy bodźcami. Teoria detekcji sygnałów w celu korekty zniekształceń reakcji stosuje metodę, która oddziela proces sensoryczny od procesu decyzyjnego (w którego obrębie działa tendencyjność reakcji).
Prawo Webera twierdzi, że JND jest w stałej proporcji do intensywności bodźca wzorcowego, natomiast prawo Fechnera twierdzi, że doznanie sensoryczne w relacji do intensywności opisuje funkcja logarytmiczna. Z kolei Stevens zaproponował szacowanie wielkości, by wyprowadzić funkcje potęgową odnoszącą wielkość wrażenia do intensywności bodźca.


Bibliografia:

1. Pieter Józef, Fechner Gustaw Theodor, Fechnera psychofizyka [w:] Słownik Psychologiczny, wyd. Ossolineum, s. 77- 78.
2. Reber Arthur, psychofizyka, Fechnera barwy, Fechnera paradoks [w:] Słownik Psychologii, wyd. Scholar, Warszawa 2000, s. 206-207, 552, 553, 586.
3. Siuta Jerzy, progi w psychologii, psychofizyka [w:] Słownik Psychologii, wyd. Zielona Sowa, Kraków, s. 203-204, 212-213.
4. Tomaszewski Tadeusz, psychofizyka [w:] Wstęp do psychologii, wyd. PWN, Warszawa 1963, s. 30-31.
5. Zimbardo Philip, Psychologia i życie, pod. red. Idy Kurcz, wyd. PWN, s. 224-235, 262.