心理物理學獲得心理的物理指標

人們使用的一個早期的步驟是測量反應速度，它是一種新的、心理學物理方面的定量方法，被稱為心理物理學。心理物理學觀察的是刺激的物理特性及其與感知的關聯，它在現代技術中有許多應用。例如，在測量我們可以辨別的顏色數量上，它使研究人員開發出了對圖像的最佳壓縮算法。

描繪出差異

如果一種聲音剛開始時低於人類的聽覺閾值，那麼在其音量穩步增長時一定會有一個點，你會從那個點開始注意到它。在那之前，這種聲音可能會對你有某種潛意識的影響，但是你並沒有聽到它。同樣，如果你注意到兩種稍微不同的刺激，你就能看出它們有一個點是不同的。如果它們太過相似，你就很難將它們區分開。第一個嘗試量化感知閾值的人是一名德國醫生，同時也是實驗心理學的奠基人之一，他就是19世紀30年代在德國萊比錫工作的恩斯特·海因裡希·韋伯（Ernst Heinrich Weber，1795年—1878年）。

韋伯從重量開始探索了人們能觀察到的刺激差異量。他要求人們拿起重量不同的東西進行比較，並報告哪個最重。他發現，人們拿的物品的實際重量必須有3%的差異，才能在感覺上區分出重量不同，所以的確存在一種「最小可覺差」（just noticeable difference，JND）。所以，如果一個人的體重是100克，那麼第二次稱體重需要比第一次重3克或輕3克才能被檢測出有差異。如果一個人重1千克，那麼第二次稱體重則需要比第一次重30克或輕30克才能感覺到重量不同。他發現，不同的感覺有不同的差別閾值。例如，在比較兩條線段的長度時，它們必須至少有1%的差異才能被人感知；又如，音高需要至少有0.6%的差異才能被人感知，等等。

韋伯定律指出：

ΔR/R=k

其中，

ΔR=最小可覺差（或JND）

R=現有的刺激量（德語稱為Reiz）

k=常數（每種感覺不同）

他也研究了其他幾種感覺差別閾值。他用羅盤點測量了能覺察到的兩個皮膚觸摸點之間的最短距離，以及把兩個皮膚接觸點感覺為一個皮膚接觸點的距離。這個研究是心理學史上的一個里程碑，因為它表明，人的心理的某些方面還是可以使用量化科學的方法來進行研究的。心理物理學為人們將實驗心理學作為研究領域奠定了基礎。

跨越門檻

韋伯的工作由古斯塔夫·費希納（Gustav Fechner，1801年—1887年）繼續進行。起初，他為了成為一名物理學家而學習相關課程，但卻由於研究顏色和視覺時眼睛受到了損害而辭去了教職。他把研究興趣轉移到了感知的心理過程上。作為一名中立一元論者，他認為身體和意識的行為是一種單一現實存在的不同方面，並著手尋找不同方面之間的數學關係。他想通過某種方式來解決心—身問題，這種方式既可以滿足唯物主義者，也可以支持自己的觀點，即意識在宇宙中無處不在。

費希納將能被刺激注意到的點定義為「絕對閾值」。在這一點下，刺激可能仍然起作用，但人們卻意識不到。由於刺激無法測量，他就從絕對閾值開始研究。他的工作成果是得出了韋伯—費希納定律，這是韋伯定律的一個提升版：「為了增強感覺強度，使其呈現算術級數的增長，物理刺激的強度必須呈幾何級數的增加。」

這意味著刺激強度和產生的感覺強度之間存在對數關係（對數標度被用來測量有關現象的、非常廣泛的變化，如地震的裡氏震級或聲音的分貝數）。

S=k log R

其中，S是感覺，R是刺激。

假設我們發現，刺激強度增強3倍，就會導致感覺強度增強2倍。如果我們再把刺激強度提高3倍，就會感覺強度像之前一樣增加，現在的強度是原來的3倍（儘管刺激的強度現在是原來的9倍）。刺激強度再次增強3倍，使我們感覺強度只是原始刺激強度的4倍，以此類推。

費希納覺得自己已經達到了目的，他展示了物理刺激和心理反應之間的一個可衡量的聯接。現代的研究結果並不完全符合費希納的「定律」。

1860年，他的研究結果發表在《心理物理學元素》（Elements of Psychophysics）一書中，這是使用定量的科學方法來研究心理現象的一個早期的嘗試，一些評論家把它看作心理學這門科學的開端。另外一些人認為，科學心理學建立的標誌是威廉·馮特建立了世界上第一個實驗心理學實驗室（詳見第3章「馮特的奇妙發明」的內容）。

黃金矩形與分裂意識

在費希納的其他研究中，他還有一項美觀外形的研究發現。人們覺得，正方形的邊長比例為0.62最具有吸引力，這種比例符合黃金比例和斐波那契數列。從一個向日葵種子的排列模式到鸚鵡螺殼的比例，自然界處處都有這種比例的存在。他還認為，如果大腦能夠沿著胼胝體（一條聯接兩個半球的纖維帶）分裂，那麼就有可能有兩種獨立的意識流。費希納懷疑這樣的實驗可能永遠也不能進行，但在20世紀60年代，神經心理學家羅傑·斯佩裡（Roger Sperry，1913年—1994年）和心理學家邁克爾·格詹尼加（Michael Gazzaniga，生於1939年）發現費希納是正確的，他們將癲癇患者的胼胝體切斷來治療其疾病。

筆名米塞斯博士

費希納在自己發表的小冊子或文章提出了泛靈論的觀點，並諷刺了當時流行的正統觀點的某些方面。由於這些觀點會損害他作為一個嚴肅的科學家的聲譽，他以米塞斯博士的筆名提出了這些觀點，其中包括《天使的比較解剖學》（The Comparative Anatomy of Angels，1825年）和《死亡後的生命》（A little Book of life After Death，1836年）。

測量思維速度

德國內科醫生和物理學家赫爾曼·馮·赫爾姆霍茲（Hermann von Helmholtz，1821年—1894年）是第一個認真測量神經脈衝速度的人。他從曾經在實驗中用過的青蛙開始研究，逐漸推進到對人類的研究，發現了反應時間取決於脈衝的傳播距離。1849年，他做了一個實驗，在實驗中，他刺激了一名人類被試的腿，並要求被試在感覺到刺激的時候按鍵。當他刺激被試的腳趾時，其反應時間要比刺激大腿時的時間長。他得出結論，人類的神經脈衝傳播速度是每秒27米。而實際上，人類最快的神經傳遞速度比賽車更快，大約是每小時430千米（或每秒110米）；其他的神經傳遞速度可能會慢一點，最低的神經傳遞速度大約是每秒50米。比測量出多變的神經傳遞速度更重要的是，他證明了神經傳遞速度這一事實本身是存在的。許多人都相信信息傳遞是瞬時的，特別是有些人認為，只有上帝才能認識到人類的行動意圖。

赫爾姆霍茲也對穆勒的發現感興趣，即不同的感覺器官只能產生同種類型的感覺。因此（例如），如果人的眼睛受到打擊，就會看到「星星」。因為所有的眼睛/大腦神經只能將眼睛接收到的信息加工成視覺圖像，這是視覺器官——眼睛應做的工作，即使眼睛接收到的這些並不是最恰當的反應。赫爾姆霍茲從「這是為什麼」以及「這是如何發生的」出發，雄心勃勃地想追蹤所有的生理過程，這些生理過程涉及從感覺神經接收刺激的瞬間到這種感覺被識別出來。這是一項人們至今尚未完成的任務。

腦內的活動

在赫爾姆霍茲的實驗過去15年後，荷蘭生理學家弗朗西斯·唐德斯（Franciscus Donders，1818年—1889年）決心對反應時進行更複雜的測量。除了測定一個被試對一種刺激做出反應需要多長時間之外，他還增加了刺激數。首先，他使用了一系列的刺激，並要求被試忽視其他的刺激，只對其中一種刺激做出反應。接下來，他又使用了一系列刺激，要求被試對每種刺激都做出不同的反應。被試必須識別每種刺激，並做出正確的反應。他發現，最簡單的刺激/反應任務的反應時最快，其次是區分刺激的任務，而需要鑒別和選擇的任務反應時最慢。他計算了對刺激進行鑒別、選擇以及反應的時間，並對完全發生在大腦內部的活動進行測量。

唐德斯的實驗讓研究者用實驗數據推斷腦內（或精神）活動成為可能。這一舞台是為實驗心理學準備的，第一個踏上這一舞台的人是威廉·馮特。