Kniha je v tištěné verzi k dispozici ve vědeckých knihovnách ČR a ve vybraných knihovnách vysokých škol. Zdarma je k dispozici ke stažení v plné verzi na URL: https://databaze.op-vk.cz/Product/Detail/59667 (podmínkou je pouze registrace jako uživatele databáze výstupů projektů). Níže je anotace, obsah a záměr publikace. Autoři
Kognice prostoru
Josef Zelenka Bohumil Vybíral Bruno Ježek František Kuřina Karel Mls Karel Pstružina Jiří Šípek Jiří Štyrský Petr Tučník Jan Vaněk Oldřich Vyšata
Gaudeamus 2014
Recenzovali:
doc. Ing. Vladimír Bureš, Ph.D. Ing. Pavel Čech, Ph.D. MUDr. Robert Rusina, Ph.D. RNDr. Jan Šlégr, Ph.D. doc. RNDr. Jaroslav Zhouf, Ph.D.
Katalogizace v knize – Národní knihovna ČR Kognice prostoru / Josef Zelenka ... [et al.]. -- Vyd. 1. -Hradec Králové: Gaudeamus, 2013. -- 281 s. Anglické resumé ISBN 978-80-7435-352-9 165.194 * 114 * 531.111 * 159.937.52 * 612.881 * 159.95 * 004.946 - kognitivní věda - prostor (filozofie) - časoprostor - prostorové vnímání - poznávání - virtuální realita - kolektivní monografie 165 - Teorie poznání. Epistemologie [5]
Vydání publikace je aktivitou projektu INKOV (CZ.1.07/2.3.00/20.0001). Projekt Informační, kognitivní a interdisciplinární podpora výzkumu je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Vydalo nakladatelství Gaudeamus jako svou 1293. publikaci. Publikace byla schválena vědeckou redakcí nakladatelství GAUDEAMUS.
ISBN 978-80-7435-352-9
Summary Space is a basic determinant of the existence and shape our world, our universe, our experience and our ideas. Yet at the same time people remain removed from contact with, and exploration of nature and ways of interpreting space in different spatial and temporal dimensions. In addition to the virtual worlds in mathematics, art and philosophy, man now creates and lives in digital virtual worlds of science fiction, gaming and social networks where people not only communicate, but also become emotionally and socially anchored . This publication was written to answer the question of how people are able to understand, describe and experience the real and virtual spaces in which they exist. The authors approach this question of the cognition of space from a variety of viewpoints: biological, neurobiological, emotional psychological, philosophical, physical, mathematical, and information science. These points of view are connected in the broad spectrum of space cognition and include inquiries into the level of peoples’ cognitive apparatus for perception, and processing and representation of these perceptions, the spectrum of space perception, analysis of experiments of human cognition and cognition in animals in relation to space, human thought patterns, working with space, mathematical formalization space, the physical interpretation of the laws of phenomena in space and search for philosophical nature of space. Key words: cognition, space, cognitive science, time-space, space perception, virtual reality
Obsah 1
Úvod (Josef Zelenka)
11
1.1
Záměr této publikace
11
1.2
Vývoj a determinace vnímání prostoru 12
1.3
Úvodní poznámky ke kognici prostoru 13
2
Kognice prostoru (Oldřich Vyšata, Josef Zelenka)
2.1
Vymezení základních pojmů kognice a mentální reprezentace prostoru
2.2
Historický vývoj pojetí a výzkumu kognice prostoru 19
2.3
Umělá inteligence a kognitivní mapy
2.4
Přehled témat, zkoumaných v kognici prostoru u člověka i zvířat
3
Lidské smysly a neurologické koreláty kognice prostoru (Oldřich Vyšata) 27
3.1
Zrak 27
17 17
21 22
3.1.1 Složení lidského oka 27 3.1.2 Cesta zrakové informace ze sítnice do hipokampu 3.2
28
Role dalších smyslů v kognici prostoru 30
3.2.1 Sluch 30 3.2.2 Vlastnosti zvuku
31
3.2.3 Kódování zvuku
31
3.2.4 Lokalizace zdroje zvuku
32
3.2.5 Dotykové čití, svalové a šlachové receptory
33
3.3
Čich 33
3.4
Percepční mapy a další reprezentace smyslové percepce
33
3.4.1 Hipokampus 33 3.4.2 Neurofyziologická reprezentace percepčních map 3.4.3 Atraktorové sítě
35
35
3.4.4 Diskrétní atraktorová síť
36
3.4.5 Kontinuální atraktorová síť 36 3.4.6 Globální přemapování
37
3.4.7 Částečné přemapování
37
3.4.8 Mřížkové buňky
38
3.4.9 Mimohipokampové struktury kódující percepční mapy 38 4
Experimentální výzkum kognice prostoru (Oldřich Vyšata, Josef Zelenka) 41
4.1
Zaměření experimentů ve výzkumu kognice prostoru 42
4.1.1 Studium kognitivních map u nižších savců
43
4.1.2 Studium kognitivních map u ptáků 45 4.2
Studium kognitivních map u lidí 46
4.2.1 Invazivní studie
46
4.2.2 Studie pomocí funkčních zobrazovacích metod 47 4.2.3 Neuropsychologické experimenty 48 4.3
Experimenty ve virtuálním prostředí
5
Výzkum kognitivních map na FIM UHK (Josef Zelenka)
5.1
Metodika výzkumu 54
49 53
5.1.1 Experiment a kognitivní mapování 54 5.1.2 Kognitivní mapy vymezených situací
55
5.2
Kognitivní mapy domova 58
5.3
Virtuální prostředí při výzkumu kognitivních map
61
5.3.1 Popis experimentálního prostředí 61 5.3.2 Výsledky výzkumu ve virtuálním prostředí
65
5.4
Shrnutí výsledků výzkumu kognitivních map na FIM UHK 70
6
Kognitivně psychologické aspekty kognice prostoru (Jiří Šípek, Jiří Štyrský) 73
6.1
K psychologickým a geografickým aspektům prostorovosti 73
6.1.1 Případové studie prožívání prostoru
81
6.1.2 Dynamika v prostoru 86 7
Fyzikální pohled na prostor (Bohumil Vybíral) 89
7.1
Prostor a čas v klasické fyzice
90
7.1.1 Klasická koncepce prostoru a času 90 7.1.2 Vztažné soustavy
92
7.1.3 Soustavy souřadnic v klasické fyzice
93
7.1.4 Galileiho transformace souřadnic 94 7.2
Prostor a čas z hlediska teorie relativity 95
7.2.1 Historický úvod
95
7.2.2 Vznik speciální teorie relativity
96
7.2.3 Prostoročas ve speciální teorii relativity 98 7.2.4 Lorentzova transformace a její důsledky pro prostoročasové intervaly
99
7.2.5 Vznik obecné teorie relativity
101
7.2.6 Geometrie prostoročasu jako vlastnost gravitačního pole 7.2.7 Neeuklidovská geometrie 7.2.8 Metrika prostoru
103
104
106
7.2.9 Metrika prostoročasu v obecné teorii relativity 107 7.2.10 Některé astrofyzikální důsledky metriky prostoročasu OTR 110 7.2.11 Kosmologické důsledky metriky prostoročasu OTR 7.3
Teorie prostoročasu versus astronomické poznatky
111 114
7.3.1 Malé ohlédnutí za dlouhou historií astronomických objevů
114
7.3.2 Významné poznatky o vesmíru v posledním půlstoletí 118 7.3.3 Závěr ke vztahu teorie prostoročasu a astronomických poznatků 7.4
123
Koncepce prostoročasu ve fyzikálním mikroprostoru 124
7.4.1 Klasifikace fyzikálních prostorů s důrazem na mikroprostor 7.4.2 Fyzikální zákonitosti mikroprostoru 7.4.3 Neurčitost mikroprostoru
124
125
129
7.4.4 Relativistická kvantová teorie pole, standardní model částic a interakcí
130
7.4.5 Univerzální (kvantově-gravitační) Planckovy konstanty133 7.4.6 Cesta k teorii velkého sjednocení – teorie superstrun (?) 7.5
Prostor z hlediska energie a pohybových zákonů
134
138
7.5.1 Energie, hybnost a moment hybnosti objektů v makroprostoru 138 7.5.2 O vztahu energie a hmotnosti
140
7.5.3 Potenciální a mechanická energie 142 7.5.4 Princip nejmenší akce a jeho důsledky pro pohybové zákony 142 7.5.5 Princip nejmenší akce v optice a elektrodynamice 7.5.6 Symetrie prostoru a zákony zachování 7.5.7 Vazební energie
149
153
7.5.8 Energie v mikroprostoru
156
Měření prostoru a času
162
7.6
147
7.6.1 Měření délek 162 7.6.2 Měření úhlů
169
7.6.3 Měření času
171
7.6.4 Měření vesmíru
174
7.6.5 Observace, experimenty a měření – základ poznávání zákonitostí světa
177
7.7
Prostor a současné otazníky kosmologie 182
7.7.1 Temná hmota ve vesmíru
182
7.7.2 Zrychlování expanze vesmíru
185
7.7.3 Antropický princip a fundamentální fyzikální konstanty 7.7.4 Koncepce více vesmírů
191
7.7.5 Závěr ke koncepci prostoru a času ve fyzice
194
8
Matematický pohled na prostor (František Kuřina)
8.1
Přirozené poznávání prostoru dítětem
8.1.1 Dělení prostoru
188
195
195
195
8.1.2 Vyplňování prostoru 196 8.1.3 Pohyb v prostoru
196
8.1.4 Dimenze prostoru
196
8.2
Prostor jako přirozená konstrukce 196
8.2.1 Realita prostoru a času a matematické konstrukce 8.2.2 Existuje čtyřdimenzionální prostor?
196
200
8.2.3 Dvojí pojetí axiomů 204 8.2.4 Neeuklidovské geometrie
205
8.3
Matematický pojem prostoru
8.4
Závěr 214
9
Filozofické aspekty kognice prostoru (Karel Pstružina)
9.1
Identifikace prostorovosti 215
9.2
Existenciální a existenční prostor 216
9.3
Prostor lidské mysli 220
10
Prostor v počítačové grafice (Bruno Ježek)
211
229
10.1 Reprezentace a modelování prostoru v počítačové grafice 10.2 Vektorová reprezentace
230
10.3 Rastrová reprezentace
231
10.4 Hraniční a objemová reprezentace
229
232
10.5 Znázornění prostoru a vizualizace prostorové informace 10.6 Objektový a obrazový prostor
215
233
233
10.7 Soustavy souřadnic, afinní transformace a homogenní souřadnice 10.8 Zobrazovací řetězec 235 10.9 Modelovací a pohledová transformace
237
234
10.10 Projektivní transformace 239 10.11 Řešení viditelnosti 240 10.12 Osvětlení, textury a stíny 241 10.13 Další metody znázornění prostoru 243 10.14 Závěr 244 11
Kognice ve virtuálních prostorech (Karel Mls, Petr Tučník) 245
11.1 Virtuální realita a virtuální prostor 11.2 Definice virtuální reality 11.3 Agentový přístup
245
246
11.4 Virtuální prostor a virtuální fyzika 11.5 Virtuální světy
11.7 Současné virtuální 3D světy 11.7.2 Blue Mars
247
248
11.6 Historie a aplikace virtuálních světů 11.7.1 Active Worlds
245
250
251
251
251
11.7.3 OpenSim Grids
252
11.7.4 Club Cooee 252 11.7.5 E.V.E. online
252
11.8 Vztah virtuálních světů a výzkumu 11.9 Možnosti virtuálního turismu
253
11.9.1 Co nabízejí virtuální 3D světy
254
253
11.9.2 Výhody a nevýhody virtuálního turismu 255 11.10 Vliv prožitku a zkušenosti z virtuální reality na uživatele
256
11.11 Aplikační platformy 257 11.11.1 Netlogo
257
11.11.2 Repast Simphony 257 11.11.3 Webots
259
11.11.4 AnyLogic 260 11.12 Závěr 262 12 Kognice prostoru ve vědě i společnosti – od ideálního k reálnému světu (Josef Zelenka) 263 12.1 Kognice makrosvěta a její obraz v hledání zákonitostí mega i mikrosvěta 263 12.2 Kvantovaný svět a dualismus
266
12.3 Vícerozměrné, zakřivené a paralelní vesmíry
267
12.4 Vesmír s temnou hmotou a temnou energií
268
13
Seznam obrázků
14
Poděkování 277
15
Literatura a další použité zdroje informací
269 279
1 Úvod (Josef Zelenka) 1.1 Záměr této publikace Prostor společně s časem jsou (a jak ukazuje výklad v kap. 7 vzájemně neoddělitelně z hlediska teorie relativity) základními determinanty existence a podoby našeho světa, našeho vesmíru, našeho prožívání i našich představ. Současně jsou člověkem dosud zdaleka neprozkoumané z hlediska způsobu jejich vnímání, kognitivního „racionálního“, emočního, tvůrčího, experimentálního, kreativního a vhledového „zpracování“, jejich podstaty, způsobu interpretace v různých prostorových měřítcích, jejich souvislostí s hmotnými tělesy a případně i zatím ještě neobjevenou podstatou temné hmoty a temné energie (např. BALDI, 2012; BAUDIS, 2012). Člověk si také stále intenzivněji vytváří virtuální světy nejen matematiky, umění a filozofie jako dříve, ale vytváří si a žije virtuální světy digitální, světy sci-fi (které ho ve velké míře i kognitivně připravují na budoucí rozvoj vědy a techniky s nevyhnutelnými změnami lidského života a zřejmě i lidské biologické a kognitivní podstaty) a v posledních letech i virtuální světy sociálních sítí, v nichž nejen komunikuje, ale také prožívá a je v nich často silně emočně i sociálně ukotven. K sepsání této odborné publikace se sešel rozsáhlý tým autorů, jejichž základem je výzkumný tým kognitivní vědy (Cognitive Science Research Group) na Fakultě informatiky a managementu Univerzity Hradec Králové (dále jen „FIM UHK). Tým doplnili přední čeští vědci a akademičtí pracovníci z několika vědních oborů tak, aby mohla vzniknout alespoň dílčí a současně vzájemně propojená odpověď na následující otázky: Jak je člověk prostor, reálný i virtuální, schopen pochopit, popsat a prožívat? Jaké kognitivní přístupy k pochopení prostoru využívá a kde jsou i jeho současné hranice pochopení prostoru? Jak se měnilo chápání prostoru a jak tyto změny chápání prostoru přispěly k překonávání myšlenkových stereotypů, ke kterým má člověk v souladu s evolučně vyvinutou schopností schematizovat své myšlení (a tím zrychlovat a zefektivňovat reakci na okolní prostředí) přirozené předpoklady. Jak člověk přistupuje k vizualizaci prostoru? Jak překonává omezení své zkušenosti (a tím i svého myšlení), která je omezena na prostorově třídimenzionální makrosvět s „konstantním plynutím času“, a to v konfrontaci s jinak strukturovaným a jiným zákonitostem podléhajícím mikrosvětem a naopak „nepředstavitelně velkým“ a „časoprostorově nehomogenním“ megasvětem celého vesmíru? Jak se člověk vyrovnává s prostorem, který se uzavře „sám do sebe“ (časoprostorové singularity černých děr), nebo který má vlastnosti výrazně se lišící od metriky makrosvěta každodenní zkušenosti (paralelní vesmíry, vícerozměrné světy), a naopak, jaké impulsy pro rozvoj jeho myšlení mu to přináší? Jaká myšlenková schémata si člověk vytváří ve vztahu k reálnému i socio-kulturnímu a případně i virtuálnímu prostoru? Jaká je biologická podstata lidské kognice prostoru?
Tato kniha se tedy zabývá kognicí prostoru člověkem z několika různých pohledů: biologického a neurobiologického (kap. 2 a 3), emočně psychologického (kap. 6), filozofického (kap. 9), fyzikálního (kap. 7), matematického (kap. 8) a informatického (kap. 10 a 11). Tyto přístupy se propojují v širokém spektru vnímání kognice prostoru na úrovni lidského kognitivního aparátu pro percepci a zpracování těchto vjemů, spektra vnímání prostoru, analýzy experimentů lidské kognice a kognice živočichů ve vztahu k prostoru, myšlenkových schémat člověka, pracujících s prostorem, matematické formalizace prostoru, fyzikální interpretace zákonitostí jevů v prostoru i hledání filozofické podstaty prostoru. Pozornost je věnována i modelování prostorové kognice a práce s prostorem a jeho objekty z pohledu počítačové grafiky (kap. 10), využití virtuálního prostředí v experimentech s prostorovou kognicí při pochopení lidské kognice prostoru, resp. při pochopení, jak simulovat percepci prostorových jevů (např. BARKOWSKY, 2001), což je popsáno v kap. 5.3 (viz také SAS – O'HARE – REILLY, 2003 – využití neuronových sítí při modelování navigace ve virtuálním prostředí; REID – STADDON, Kognitivní 1997, 1998 – modelování věda různých prostorových kognitivNeurověda ních funkcí a řešení prostorových Biologie úloh).
Fyzika a astrofyzika
Kognice prostoru
Psychologie
Tato kniha je tak výrazně multioborová – na Obr. 1 jsou schematicky znázorněny vědní obory, jejichž znalosti jsou integrovány v předložené analýze kognice prostoru.
Filozofie
Matematika Informatika
Obr. 1 Vědní obory, jejichž znalosti jsou integrovány v předložené analýze kognice prostoru. Zdroj: J. Zelenka
