정신물리학

3. 정의

정신물리학은 하나 혹은 그 이상의 차원에서 변화하는 자극에 대한 실험 대상의 경험이나 체계적인 행동에 미치는 영향에 대한 지각 과정의 분석 연구이다.^[31] 물리적 자극과 심리적 경험 사이의 양적 관계를 체계적으로 연구한다.

구스타프 테오도어 페히너가 1860년 《정신물리학의 요소》(Elemente der Psychophysik)를 발표하면서 정신물리학이 시작되었다.^[32] 그는 '정신물리학'이라는 용어를 처음 사용하고 마음 연구와 관련된 많은 이론을 연구하였다. 이후 에른스트 하인리히 베버와 빌헬름 분트와 같은 학자들에게 큰 영향을 주었다. 정신물리학 분야의 대표적 이론으로 신호탐지이론이 있다.

페히너는 물리적 자극과 감각(Empfindungen)과 같은 의식 내용 사이의 관계를 연구하기 위해 "정신물리학"이라는 용어를 만들었다. 그는 물리학자이자 철학자로서 물질과 정신을 연결하고, 공개적으로 관찰 가능한 세계와 사람이 사적으로 경험하는 인상을 연결하는 방법을 개발하는 것을 목표로 했다. 그의 아이디어는 1830년대 초 에른스트 하인리히 베버가 라이프치히에서 얻은 촉각과 빛에 대한 실험 결과에서 영감을 받았다.^[6][7] 베버는 중간 강도 자극의 최소 식별 가능한 차이(최소 식별 차이; jnd)에 대해 연구했는데, 이는 기준 강도의 일정한 비율이라는 것을 보여주었고, 페히너는 이를 베버의 법칙이라고 불렀다. 이를 통해 페히너는 오늘날 페히너 척도로 알려진 유명한 로그 척도를 도출했다.

베버와 페히너의 연구는 심리학을 과학으로 만드는 기초 중 하나가 되었고, 빌헬름 분트는 라이프치히에 최초의 심리학 연구소를 설립했다(실험 심리학 연구소). 페히너의 연구는 내성주의적 접근 방식(의식 과학으로서의 심리학)을 체계화했는데, 이는 언어적 반응조차도 자극만큼 물리적인 행동주의적 접근 방식과 경쟁해야 했다.

페히너의 연구는 찰스 S. 퍼스와 그의 제자 조셉 야스트로에 의해 연구되고 확장되었다. 퍼스와 야스트로는 페히너의 경험적 발견을 대체로 확인했지만, 모두 그런 것은 아니었다. 특히 퍼스와 야스트로의 고전적인 실험은 무게에 대한 지각 역치에 대한 페히너의 추정치를 기각했다. 그들의 실험에서, 퍼스와 야스트로는 실제로 무작위 실험을 발명했다. 그들은 자원 봉사자들을 무작위로 배정하여 블라인드 반복 측정 설계를 통해 무게를 구별하는 능력을 평가했다.^{[8][9][10][11]} 그들의 결과에 기초하여 그들은 기본 함수가 연속적이며 물리적 크기의 차이가 감지되지 않는 역치가 없다고 주장했다. 퍼스의 실험은 심리학 및 교육 분야의 다른 연구자들에게 영감을 주었고, 1900년대에 실험실에서 무작위 실험을 하고 전문적인 교과서를 출판하는 연구 전통을 발전시켰다.^{[8][9][10][11]}

퍼스-야스트로 실험은 퍼스가 실용주의 프로그램을 인간 지각에 적용하는 과정의 일부로 수행되었으며, 빛의 지각 등에 대한 다른 연구가 진행되었다.^[12] 야스트로는 다음과 같이 요약했다.

> 퍼스 씨의 논리학 강좌는 저에게 지적 근육에 대한 최초의 진정한 경험을 안겨주었습니다. 스탠리 홀에 의해 심리학 연구소가 설립되자마자 저는 즉시 심리학 실험실로 갔지만, 저에게 심리학적 문제를 다루는 첫 번째 훈련을 제공하고, 당시 실험 습관에 거의 익숙하지 않았던 저에게 실제 연구 과제를 맡김으로써 자존심을 자극해 준 것은 퍼스였습니다. 그는 저를 위해 장치를 빌려주었고, 저는 그것을 제 방으로 가져와 창가에 설치했으며, 조명 조건이 적절할 때 관찰을 수행했습니다. 그 결과는 국립 과학 아카데미 회보에 공동 명의로 출판되었습니다. 의식에서 어떤 기록도 할 수 없을 정도로 미미한 감각 효과의 흔적이 그럼에도 불구하고 판단에 영향을 미칠 수 있다는 시연은, 수년 후 제가 ''잠재 의식''에 대한 책을 집필하도록 유도한 지속적인 동기였을 수 있습니다.

이 연구는 관찰 가능한 인지 수행과 의식의 표현을 명확하게 구별한다.

스탠리 스미스 스티븐스는 멱법칙 아이디어를 부활시켰으며, 페히너의 로그-선형 함수와 대조를 이루었다(스티븐스의 멱법칙 참고). 그는 또한 자극의 강도에 대한 비율로 숫자를 할당하는 것을 옹호했으며, 이를 크기 추정이라고 불렀다. 스티븐스는 크기 생성 및 교차 양상 매칭과 같은 기술을 추가했다.

오마르 칼리파^[13]는 중세 과학자 알하젠을 정신물리학의 창시자로 간주해야 한다고 주장했다. 알하 이담은 시각에 대해 많은 주관적인 보고서를 작성했지만, 그가 정량적 정신물리학 기법을 사용했다는 증거는 없으며, 그러한 주장은 반박되었다.^[14]

4. 정신물리학적 함수

정신물리학적 함수는 자극과 감각의 관계를 물리학적, 수학적 방법으로 표현한 것이다.

심신과 외적 자극의 관계를 밝히는 과정에서 정신물리학적 함수가 고안되었다. 가장 기본적인 자극과 감각의 관계는 심리적인 감각량(심리량: R)이 물리적인 자극의 양(물리량: S)의 대수에 비례한다는 베버-페히너의 법칙으로 표현된다.

페히너는 물리량이 매우 작을 때는 심리량이 0이 되고, 물리량이 일정 수준을 넘어서면 심리량은 거의 증가하지 않는다고 보았다.

S. S. 스티븐스는 크기 추정법을 통해 얻은 데이터를 바탕으로 스티븐스의 멱법칙을 제시했다. 이 법칙에 따르면, 통증과 같은 위협적인 자극은 n>1, 그 외의 감각은 n<1의 값을 가진다.

이러한 함수들은 인간 감각의 보편적인 분석에는 어려움이 있어 현재 직접적인 연구는 적지만, 심리음향학, 인지심리학, 인간공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 인간의 다양한 자극을 정량적으로 측정하는 것의 어려움, 실험자의 질문에 의한 영향, 개인의 심리적, 경험적 차이 등이 문제점으로 지적되지만, 이러한 차이를 줄이기 위한 여러 실험 방법들이 고안되고 있다.

4. 1. 베버-페히너의 법칙

4. 2. 스티븐스의 멱법칙

스티븐스의 멱법칙은 페히너의 로그 함수와 대조되는 개념으로, 19세기의 연구자들이 제안한 멱법칙 아이디어를 부활시킨 것이다.

하지만 이러한 함수는 인간 감각의 다양성과 측정의 어려움, 실험 질문 내용 및 개인의 경험에 따른 반응 차이 등의 문제로 인해 현재 직접적으로 연구되지는 않는다. 그럼에도 불구하고, 심리음향학, 인지심리학, 인간공학 등 다양한 분야에서 간접적으로 활용되고 있다.

5. 식역 (Threshold)

페히너는 감각의 크기를 직접적으로 측정하는 것은 불가능하지만 식역(threshold) 개념을 이용해 간접적 측정이 가능하다고 하였다. 정신물리학에서 식역(또는 한계)은 참가자가 자극의 존재(절대 식역^[15]) 또는 두 자극 간의 차이(차이 역치^[7])를 감지할 수 있는 강도의 지점이다. 이 역치 미만의 강도를 가진 자극은 감지할 수 없어 잠재 의식적으로 간주된다. 역치에 가까운 자극은 때때로 감지될 수 있으므로, 역치는 자극 또는 자극 변화가 특정 비율의 시행에서 감지되는 지점으로 정의된다.

정신물리학자들은 일반적으로 강도가 변하는 순수한 음이나 휘도가 변하는 빛과 같이 객관적으로 측정할 수 있는 실험 자극을 사용한다. 시각, 청각, 촉각(피부 및 장 감각 포함), 미각, 후각, 시간 감각 등 모든 정전형 감각이 연구되었다. 감각 영역에 관계없이 세 가지 주요 연구 분야는 절대 역치, 변별 역치(최소가지차), 척도이다.

5. 1. 절대 식역 (Absolute Threshold)

5. 2. 차이 식역 (Difference Threshold)

6. 감각과 지각

정신물리학은 물리적 자극과 심리적 경험 사이의 양적 관계를 체계적으로 연구하는 학문이다. 마음과 신체 사이의 관계를 연구하고자 하였는데, 예를 들어 청각의 경우 인간은 소리를 듣기 위해서는 물리적으로 생성되는 음파를 귀의 고막을 통해 청각 신경으로 전환시켜야만 한다.^[31] 물질세계에 소리가 분명히 존재함에도 불구하고, 이와 상관없이 소리가 청각 신경으로 전환되어 뇌에 전달되지 않는다면 인간은 소리를 들을 수 없다.

주요 감각은 이른바 오감을 중심으로 한 지각(시각, 청각, 후각, 미각, 평형 감각, 피부 감각, 심부 감각, 내장 감각 등)으로 대표된다. 이러한 지각은 시각의 경우 눈, 미각의 경우 혀, 평형 감각은 내이 등, 몇몇 수용체에 의해 유발된다는 사실은 고대부터 알려져 있었다. 또한, 이를 해부하여 그 기구는 과학의 발전에 따라 상당 부분 해명되었다.

예를 들어 인간의 시각 기관인 안구와 비교하면 카메라는 매우 유사한 기구를 가지고 있다. 수정체는 렌즈에, 망막은 필름에 해당한다. 여기서, 우리는 망막에 맺힌 영상을 인식하고 있는데, 그 영상은 외부에서 들어온 빛에 의한 것이다. 이 빛은 물리적인 것이므로 측정이 가능하다. 이처럼 질적인 사건과 감각의 대응 관계를 물리학적인 방법으로, 이른바 인간의 지각을 블랙 박스로 간주하여 연구하는 것이 정신물리학이다.

7. 실험 방법론

정신물리학 실험은 대상자가 자극을 감지, 식별하거나, 다른 자극과 구별할 수 있는지, 또는 그 차이의 크기나 성격을 설명할 수 있는지를 확인하는 것을 목표로 한다.^[6][7]

현대 감각 지각 연구에서는 지각자의 판단을 측정하여 자극에서 무엇을 추출하는지 확인한다. 매우 약한 자극의 경우에는 신호 탐지 이론이 주요 방법으로 사용된다. 스탠리 스미스 스티븐스는 구스타프 페히너의 로그-선형 함수와 대조되는 스티븐스의 멱법칙을 제안하며 19세기의 멱법칙 아이디어를 부활시켰다. 스티븐스는 크기 추정, 크기 생성, 교차 양상 매칭 등의 방법을 추가했다.

20세기 중엽, S. S. 스티븐스는 크기 추정법으로 얻은 데이터를 바탕으로 "스티븐스의 멱법칙"을 유도했다.

: $R\; =\; K\; S^n$

여기서 R은 감각 크기, K는 비례 상수, S는 자극 강도, n은 감각 양상에 따른 지수이다. 통증과 같은 위기적인 자극은 n>1, 그 외의 감각은 n<1의 값을 가진다. S. S. 스티븐스가 제시한 감각 종류별 감각 계수(n)는 아래 표와 같다.

7. 1. 고전적 방법

• 한계법 (Method of Limits)

• 고정 자극법 (Method of Constant Stimuli)

• 조정법 (Method of Adjustment)

7. 2. 적응적 방법 (Adaptive Methods)

7. 3. 크기 추정 (Magnitude Estimation)

8. 정신물리학의 응용

초기의 행동경제학 및 공간 인지 과학은 심리물리학의 방법론을 많이 사용했다.

참조

_[1] 서적 Psychophysics: the fundamentals
_[2] 서적 Visual perception Psychology Press
_[3] 서적 Handbook of perception and human performance: Vol. I. Sensory processes and perception John Wiley
_[4] 서적 Psychophysics: the fundamentals Lawrence Erlbaum Associates
_[5] 서적 Elemente der Psychophysik (Elements of Psychophysics)
_[6] 서적 Psychophysics B Scharf
_[7] 서적 Psychophysics: the fundamentals Lawrence Erlbaum Associates
_[8] 논문 On Small Differences in Sensation http://psychclassics[...]
_[9] 논문 Telepathy: Origins of Randomization in Experimental Design 1988-09
_[10] 논문 A Historical View of Statistical Concepts in Psychology and Educational Research 1992-11
_[11] 논문 Deception, Efficiency, and Random Groups: Psychology and the Gradual Origination of the Random Group Design https://www.rug.nl/r[...] 1997-12
_[12] 논문 Charles S. Peirce as a Teacher https://books.google[...] 1916-12-21
_[13] 논문 Who Is the Founder of Psychophysics and Experimental Psychology?
_[14] 논문 Ibn al-Haytham and psychophysics
_[15] 서적 Psychophysics: the fundamentals Lawrence Erlbaum Associates
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_[17] 서적 Psychology
_[18] 서적 Elemente der Psychophysik (Elements of Psychophysics)
_[19] 서적 Psychology: the Science of Behaviour
_[20] 서적 Psychophysics: the fundamentals Lawrence Erlbaum Associates
_[21] 웹사이트 Software for visual psychophysics: an overview http://www.visionsci[...]
_[22] 서적 Psychophysics: the fundamentals Lawrence Erlbaum Associates
_[23] 논문 F. Hegelmaier: On memory for the length of a line
_[24] 논문 Adaptive psychophysical procedures 1995-09
_[25] 논문 Forced-choice staircases with fixed step sizes: asymptotic and small-sample properties
_[26] 논문 Quest: A Bayesian adaptive psychometric method 1983-03
_[27] 논문 Efficient estimation of sensory thresholds 1986-11
_[28] 논문 Bayesian adaptive estimation of psychometric slope and threshold 1999-08
_[29] 논문 On the psychophysical law 1957
_[30] 서적 本当の声を求めて　野蛮な常識を疑え SIBAA BOOKS
_[31] 서적 Psychology Press
_[32] 서적 Elemente der Psychophysik (Elements of Psychophysics)