用光“闻”气味、用电流“摸”形状，高中学的“通感”原来不是修辞是写实？

高中语文背《荷塘月色》，最让人摸不着头脑的，大概就是朱自清写荷香的那句：“微风过处，送来缕缕清香，仿佛远处高楼上渺茫的歌声似的。”

语文课上脑子里都在想些什么？图源网络。

当时做阅读理解，标准答案管这叫“通感”——把嗅觉挪到听觉上，写出了香气的若有若无。对于一个习惯了逻辑推导的理科生来说，这种写法多少有点像文人硬凹出来的修辞玄学：鼻子闻到的气味分子，怎就成了耳朵听见的声波？

已经头皮发麻了。图源网络。

不过，如果拿这个问题去问今天的脑神经科学家，或者走进现代物理实验室看一看，你会发现当年或许还真错怪朱自清了。把气味听成声音、用双手摸出画面、靠眼睛看穿味道，在自然界与科学界里早就是家常便饭。从我们大脑皮层的日常运转，到实验室里捕捉原子的精密仪器，它们每天都在干着这种“感官跨界”的正经事。

一、 大脑本就是一台“通感机器”

在日常直觉里，人类的五感各司其职——眼睛收光，耳朵听声，舌头尝味，鼻子闻香，皮肤感知冷热与压力，彼此之间筑有高墙。但现代脑神经科学与实验心理学的研究发现，感官的边界可能更像是一层随时可以穿透的薄纱。

最日常的例子就在餐桌上。我们做饭的口味有“酸甜苦辣咸”，习惯性地把“辣”归为一种味觉。但解剖学与生理学告诉我们，人类舌头上的味蕾其实只负责酸、甜、苦、咸、鲜五种基本味道，面对辣椒素时其实毫无反应。真正被辣椒素激活的，是口腔黏膜与舌头神经末梢上的一种名为TRPV1的跨膜离子通道蛋白。这个受体原本负责感知 43℃以上的高温灼烧与物理损伤。辣椒素与之结合并打开钙离子通道后，神经系统会向大脑发送高温烧伤警报。我们感受到的 “辣味”，本质是温觉与痛觉共同产生的体感，并非真正的味觉。同理，薄荷之所以让人觉得“清凉”，源于薄荷醇顺手激活了皮肤与黏膜上负责感知25℃以下低温的冷觉受体（TRPM8）。

图 David Julius利用辣椒中的辣椒素发现了 TRPV1，这是一种可被致痛热激活的离子通道[1]。因为发现了这一系列将温度、机械力转化为神经信号的受体蛋白，他与Ardem Patapoutian共同摘得了2021年诺贝尔生理学或医学奖。

除了前端受体层面的“兼职”，感官信号进入大脑内部后，还会发生直接的跨通道融合与改写。1976年，心理学家哈里·麦格克（Harry McGurk）在《自然》杂志上发表了一项著名的实验：让受试者观看一段人物说话的视频，画面里人物的嘴型在反复发“ga（嘎）”音，而耳机里同步播放的真实配音却是“ba（吧）”音。奇妙的事情发生了——绝大多数听力与视力完全正常的受试者，听到的既非“ga”也非“ba”，而是第三种声音：“da（哒）”。哪怕受试者提前知道了实验真相，只要睁开眼看着屏幕上的嘴型，耳朵听到的声音依然会瞬间变成“da”；一旦闭上眼睛，声音又立刻恢复成“ba”。这便是心理学中著名的“麦格克效应”，它让我们意识到视觉和听觉是可以整合体验的。

图 麦格克效应[2]。当视觉口型与听觉语音不一致时，大脑会感知到第三种声音。感兴趣可以访问[2]体验。

再往前推进一步，跨通道绑定甚至是全人类共享的出厂设置。认知心理学中有一个著名的“波巴-奇奇效应（Bouba/Kiki Effect）”：研究者给来自不同文化背景、甚至尚未学会识字的幼儿展示两张图形——一张边缘圆润如云朵，另一张棱角尖锐如闪电，随后询问他们哪一个图形叫“Bouba”，哪一个叫“Kiki”。测试结果显示，高达95%以上的人都会毫不犹豫地把圆润图形命名为“Bouba”，把尖锐的命名为“Kiki”。研究表明，人类在发“Kiki”这个音时，口腔肌肉紧绷，声波呈现出高频、陡峭的特征；大脑会自动将这种听觉声波的急促起伏、口腔肌肉的硬质感，与视觉图形上的尖锐折角完成跨模态对齐。“缕缕清香”和“渺茫歌声”之所以能引起读者的共鸣，或许正是因为每个人大脑底层的这套跨感官映射网。

图 波巴-奇奇效应[3]. 你觉得哪个是Bouba，哪个是Kiki呢？

在大约4%的人群中，这种底层网络的连通表现得更为彻底。这部分人拥有先天性的“联觉（Synesthesia）”。在他们的感知世界里，数字自带色彩，音乐会在眼前流淌出具体的几何形状，甚至听到某个特定的词语时舌尖会泛起酸味。功能性磁共振成像（fMRI）证实，当一位“音-色联觉者”闭上眼睛聆听钢琴曲时，其大脑中除了听觉皮层正常激活外，负责处理视觉色彩的脑区也会同步亮起。神经科学家维拉亚努尔·拉马钱德兰（V. S. Ramachandran）等人提出，人类婴儿刚出生时，大脑各个感官皮层之间其实存在着极其密集的跨区域连接；在随后的发育过程中，大多数人通过“突触修剪”剪断了多余的连线，建立起跨界感觉抑制机制，而联觉者则保留了这些原始的跨界通道。

图 联觉[4]. “听”见声音是黄色的。

更有力的证据来自感官剥夺后的神经可塑性：先天失明者大脑后部原本负责视觉的枕叶皮层并未荒废，当他们用指尖摸读盲文、或是依靠声波回声判断空间障碍物时，这片区域会被触觉和听觉大量征用并显著激活。基于这一原理研发的“BrainPort”舌部感官代偿系统，将头戴摄像头捕捉的画面实时转化为舌面电极阵列的微弱电刺激。使用者反馈，一开始只能感受到舌头上模糊、无法辨识的轮廓与图形；经过学习后，他们能够更深层地解读这类刺激信号，进而分辨出距离、形状、运动方向和物体大小等信息。借助它准确绕开走廊障碍，甚至伸手接住滚动的球。这种跨感官复用的底层逻辑，在于神经编码的通用性：所有外界刺激无论原本是光波、声波、化学分子还是机械压力，进入神经系统后都会被转译为统一格式的神经电脉冲，彼此的差异只体现在脉冲的发放频率、时间间隔与空间组合上。大脑本质上只解读信息的结构与规律，并不区分输入来自哪一条感官通道，这才让视觉皮层能处理触觉信号，舌头也能代替眼睛“看见”世界。

图将视觉图像转化为舌面的电触觉信号[5]。咖啡杯的相机图像（左图）被降采样为一张 200 像素的灰度图（右图）。随后灰度值会转换为对应的刺激强度，并在舌头上呈现。

不止生物大脑是天生的 “通感机器”，人类打造的各类科学表征仪器，同样在做着同款 “感官跨界” 的事。

二、 科学表征：人类的“外置通感器官”

而回到实验科学的日常中，似乎处处都是“通感”。物理学的底层逻辑说穿了并不复杂：先定义可观测、可量化的物理量，再探寻量与量之间的稳定关联 —— 也就是物理规律。反过来，一旦掌握了规律，我们就能在不同物理量之间建立精准映射：通过可直接测量的量，推演出难以被捕捉的量。当物理学家开始去探索肉眼看不见、触觉摸不到、嗅觉闻不到的微观与宇观世界时，便顺理成章地在工程与技术层面复刻了这套“通感机制”。

辨识分子与材料种类：把化学身份转译为光、电与力

在环境化学与材料科学中，首要问题是“这里面有什么分子、长什么结构”。面对无色无味的痕量气体或未知晶体，人类必须借助物理量的跨通道转译。

最典型的方法是利用光谱学，用“看”的方式去“闻”气味。气体分子内部的化学键像弹簧一样不停振动和转动，具有固定的量子化能级。当一束红外光或激光穿过空气时，分子会精准吞掉与自身振动频率匹配的特定波长光子。光谱仪无需接触分子，只需“看”一眼穿透光线里缺失了哪几道暗线，就能像扫条形码一样读出空气里的气体种类与浓度。

图 吸收光谱法示意图[6]. 吸收遵循比尔-朗博定律： .

顺着类似的逻辑，科学家开发出了覆盖光、电、力的多种物质识别手段：

• 拉曼光谱（化学键振动 散射光频移）： 单色激光打在样品上，千万分之一的光子与分子振动或晶体声子交换能量而频率发生改变，通过捕捉散射光频率移动，把微观机械振动翻译成光学指纹。

• X射线与中子衍射（晶格原子排布 波的干涉图样）： 用波长与原子间距相当的X射线或中子束打入晶体，将三维周期性原子排布转译为探测器上明暗相间的衍射斑点与波峰角度，直接看晶体傅里叶变换后的周期结构。

• X射线光电子能谱XPS（元素与化学价态 光电子动能）： 用X射线轰击材料表面激发出内层电子，通过测量飞出电子的动能反推原子核束缚能，“看”出表面元素种类与价态。

• 质谱分析MS（分子量与成分 电磁偏转轨迹）： 将分子电离送入真空电磁场，不同质量的离子在洛伦兹力下飞出不同曲率的弧线或飞行时间，把化学鉴别转化为对空间落点与时间的测量。

• 石英晶体微天平 QCM 与微悬臂梁（痕量分子吸附 谐振频率/力学弯曲）： 高频振动的石英晶片吸附纳克级气味分子后谐振频率下跌，或分子吸附在微米硅悬臂梁上产生表面应力将其压弯，直接用声学音调与力学触觉“称”出气味浓度。

图 大气主要成分的中红外吸收谱[7].

医学与生物内部成像：用声波与无线电“看”穿血肉

探测活体内部组织时，可见光深入皮肤几毫米就会因强烈散射而糊成一片。为了无创看清病变，医学成像将跨模态转译发挥到了极致。

医院里常见的磁共振成像（MRI），用“听”无线电波的方式“看”清内脏与大脑。传统X光和CT靠射线穿透阴影成像，对富含水分的软组织对比度差且有电离辐射。物理学家劳特布尔（Paul Lauterbur）等人将目光投向人体内的水分子（氢原子核）：人体进入数特斯拉的强磁场后，氢原子核像小指南针一样顺磁场排列并高速自旋；仪器发射射频脉冲（无线电波）将其推歪；脉冲关闭后，氢核在弹回原位的弛豫过程中向外释放微弱的电磁波回声。

图 氢原子核自旋在射频脉冲下倾倒后回复[8].

由于肿瘤、灰质与脂肪对水分子的束缚程度不同，回声衰减节奏截然不同。再叠加空间梯度磁场让不同位置的氢核发出不同频率（音调）的信号，体外线圈只需“收听”这首无线电交响曲，经傅里叶变换就能拼出纤毫毕现的大脑三维切片图——全过程没有一束光参与，每一寸软组织轮廓都是用天线“听”出来的电磁回音。

图 按频率采样得到k空间图像后经傅里叶变换得到切片图[9].

在生物医学前沿，类似的跨通道接力还在不断翻新：

• 光声成像（光学吸收对比度 超声波空间定位）： 纯光学看深层组织会散射模糊，纯超声又分不清微血管。向体内发射纳秒短脉冲激光，血红蛋白吸光后发生千分之几度的微小温升与热膨胀，激发出超声波；体表探头“听”到声信号后反向绘出深层血管三维图——前半程靠“光”点名，后半程靠“声”穿透迷雾。

• 超声弹性成像（内部组织硬度 机械波恢复速度）： 发射声辐射力脉冲轻轻“推”一下内部组织使其产生微米级形变，再用高频超声追踪形变恢复速度，把隔着肚皮摸不到的肿瘤软硬直接渲染成红蓝热力图。

• 正电子发射断层扫描 PET（细胞代谢活性 伽马光子对撞时差）： 癌细胞吞噬带正电子核素标记的葡萄糖后，释放的正电子与电子湮灭并背对背射出两颗伽马光子；环形探测器捕捉光子到达的微小时间差，把肉眼不可见的“新陈代谢速率”转换成三维图像。

图 光声成像示意图[10].

表面形貌与凝聚态表征：用量子触觉与电子波“摸”出原子

缩小到纳米与原子尺度，单个原子（0.1～0.3纳米）远小于可见光波长，传统光学显微镜受限于衍射极限彻底失效。教科书上的原子图像，全都是靠电学或力学的“触觉”摸索出来的。

最具代表性的是宾宁（Gerd Binnig）与罗雷尔（Heinrich Rohrer）发明的扫描隧道显微镜（STM）。STM彻底抛弃光学透镜，换上一根针尖只有一个原子的极细金属探针，悬停在导电样品表面不到一纳米处扫描。根据量子隧穿效应，电子能穿过真空势垒形成微弱的隧穿电流，且电流大小对距离呈指数级敏感——针尖与原子距离每拉近0.1纳米，电流就暴增约一个数量级。计算机记录下探针移动时电流的起伏并染上伪彩色，就拼出了原子图像。这就像盲人拿着敏锐的探杖在盲文地板上逐点试探阻力绘出地形图，表面原子排布就这样被量子力学的电学触觉一步步“摸”了出来。

图 恒高模式STM工作示意图[11].Gerd Binnig和Heinrich Rohrer因“设计扫描隧道显微镜”获得1986年诺贝尔物理学奖。

围绕微观形貌与凝聚态电子结构，物理学家建立了一整套工具箱：

• 非接触式原子力显微镜 nc-AFM（皮牛顿级泡利斥力 探针频率偏移）： 在探针尖端修饰单个一氧化碳分子并高频振动靠近表面，利用电子云重叠产生的微弱泡利排斥力改变探针谐振频率，在绝缘表面“摸”出分子内部的化学键骨架。

• 扫描与透射电镜 SEM/TEM（微观形貌与晶体势场 电子束散射与干涉）： 用波长极短的高能电子束代替光子，收集表面激发的二次电子或穿透薄样品的透射电子，将纳米结构与晶格原子变成明暗图像。

• 角分辨光电子能谱 ARPES（固体内部电子能带 逃逸电子角度与动能）： 用光子把电子从晶体里“踢”出来，测量光电子飞出的空间角度与动能，根据动量守恒在动量空间“拍”出超导与拓扑材料内部的电子能带结构。

• 光发射电子显微镜 PEEM（表面超快动力学与磁畴 局部光电子空间分布）： 用超快激光或偏振X射线照射薄膜表面，把表面等离激元震荡或磁畴取向差异实时转为光电子发射图像。

从“通感”到“盲人摸象”：科学测量的假设与陷阱

用光谱“看”气味，用无线电“听”大脑，用电流“摸”原子——这些“人造通感器”极大地拓宽了人类的认知边界。但在一线科研人员眼中，任何基于跨通道的间接测量，都天然背负着一个深刻的认识论危机：单通道的科学表征，本质上都是一场步步惊心的“盲人摸象”。

在科学测量中，我们几乎永远无法把微观或遥远客体的“本体（那头大象）”抓到肉眼下审视，测到的永远只是它投射在特定物理维度上的“投影量”。每一次把A物理量转译为B物理量，背后都押注了一个高度简化的物理假设——“只要摸到一根很粗的柱子，就代表眼前站着一头大象。” 一旦真实体系的复杂性越过假设边界，精密仪器就会给出逼真的假象（Artifact）。

这种认知陷阱在扫描隧道显微镜（STM）中表现得尤为深刻。初学者看着STM扫出的高低起伏的原子图像，很容易将其直接当成表面分子真实的几何高度。然而，特索夫（J. Tersoff）与哈曼（D. R. Hamann）的理论模型早就指出：STM探针真正“摸”到的，其实是样品表面在费米能级附近的电子局域态密度（LDOS）——即那个位置上“电子云有多浓密、有多容易跳到探针上来”。

试想在导电性极佳的平滑金属基底（如金单晶表面）上，吸附了一个独立的氧原子或绝缘性有机小分子。在真实三维空间里，这个外来原子或分子明明稳稳坐在金属表面之上，是个高出零点几纳米的“小山包”。但由于氧原子电负性极强（或分子前线轨道能量与探针不匹配），它会强烈束缚并排空周围的自由电子，导致凸起位置上能够参与隧穿的电子态密度反而大幅下降。当STM探针扫过它上方时，隧穿电流降低；计算机据此渲染出的图像上，这个明明高高凸起的分子，反而呈现为一个“黑色的凹坑”！

这就好比盲人戴着一副“只对温度敏感”的手套去摸大象，摸到向外高高凸起、但表面冰凉坚硬的象牙时，因为感受不到热量，便笃定地写下结论：“大象嘴角两侧，长着两个深邃的空洞。”

结语

既然生物感官会串线，单通道的科学表征又是带着简化假设的“盲人摸象”，现代科学是如何跨越这道鸿沟，确保人类没有活在仪器编织的幻觉里呢？

答案是——孤证不立，多模态交叉验证。

从数学与信息论的视角来看，客观世界里的每一个真实客体都是一个复杂的高维实体，而任何单一的科学表征技术，都只是一道特定方向的“降维投影”。光谱测的是能级跃迁的投影，质谱测的是荷质比的投影，核磁测的是核自旋环境的投影，STM测的是表面电子态密度的投影。单个盲人摸到的“粗柱子”或“蒲扇”，单独拿出来看都充满了歧义。

图 多种测量手段辅助确定观测对象。图源AI。

为了还原高维实体的真容，科学家的策略是“派出一群拿着不同工具的盲人一起上场”。水汽干扰能骗过微天平的频率，但骗不过质谱仪的分子量测定；电子云低谷能在STM图像上把凸起分子画成“黑坑”，但当换用非接触式原子力显微镜（nc-AFM）去测泡利排斥力时，针尖就会在那个“黑坑”上方撞上一个凸起的实体。当光、声、电、磁、力等不同物理维度的测量投影摆在一起，在物理定律的刚性约束下联立求解时，假象与巧合都会因为互相矛盾而被筛除。只有当唯一的一种真实结构模型能够严丝合缝地同时解释所有通道的投影数据时，客观实在的完整轮廓才在人类的理性闭环中浮现出来。

为什么风吹过荷叶送来的缕缕清香，会让人觉得仿佛是远处高楼上渺茫的歌声？文学家用一句直觉般的“通感”，轻轻擦去了人类感官之间演化出的藩篱；而科学家则用无数台精密的“人造通感器”与严苛的多维交叉验证，在肉眼看不见的深渊与星海里，追逐万事万物原本互联互通的真实模样。

参考资料

[1]https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2021/press-release/.

[2]https://www.bilibili.com/video/BV1pC4y1m7fZ/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a64bf56757e21b2f335cd3d8d3fd49dc.

[3]https://www.bilibili.com/video/BV1NmMczUE42/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a64bf56757e21b2f335cd3d8d3fd49dc.

[4]https://www.bilibili.com/video/BV1yE411976Q/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a64bf56757e21b2f335cd3d8d3fd49dc.

[5]https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17434440.2016.1237287.

[6]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1068520013001107.

[7]https://www.mdpi.com/1424-8220/20/10/2996.

[8]https://blog.csdn.net/qq_45656246/article/details/154018631.

[9]https://zhuanlan.zhihu.com/p/344864875.

[10]https://zhuanlan.zhihu.com/p/133583515.

[11]https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/binnig-lecture.pdf.

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