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人类视力可能检测这三种色彩，并提出假想说，视网膜一定有三种不同的接受细胞，每种细胞都配有一种对某种原色很敏感的化学物质。他依靠穆勒特别神经能量的理论推想，从每个接受器伸向大脑的神经不仅传递视觉信息，而且还传递特别色彩信息。
一位英国科学家托马斯·扬曾于1802年想到过类似的理论，但他没有实验证据，因此被一般人所忽略了。可是，亥姆霍兹却收集了大量证据，包括，当不同色彩的光线混合在一起时我们所体会到的色彩，我们盯着某种强烈的色彩看一阵子后，我们看到的互补色的残余以及存在于一些人畜中的色盲现象和某种大脑损伤对色彩视觉产生的影响等等。他很慷慨地承认说扬的发现在先，而他对色彩视觉的说法自此以后就被称作扬－亥姆霍兹理论（或者叫三色理论）。
三色理论是一项了不起的成就，它是一种可检测的、有关意识如何感知色彩的机械论解释。根据一个个的连接，从外部世界到大脑的接受区，亥姆霍兹筑起了一根因果现象之链，替代了哲学家和生理学家们的一些猜测和幻想。它的形式虽然更为复杂，但至今仍然是色彩视觉理论当中最具有支配地位的理论，并且打翻了每种接受器中的神经携带着不同种类的能量的观点。
至于由德谟克利特、贝克莱、休谟及其他人就感知而提出来的一个深刻而令人困惑的问题——我们看见的东西是否就是外部世界真正的样子——亥姆霍兹比穆勒却更具机械论倾向，他认为这个问题没有意义或者价值而不予考虑：
在我看来，除了实际的真理之外，谈论我们的思想是不是有别种可能的正确性是不可能产生任何意义的。我们对事物的想法除了是一些符号，一些自然的事物信号之外不可能是别的任何东西，我们学会如何使用这些符号，以便于调整自己的运动，改善自己的行为。知道如何正确地阅读这些符号以后，我们就可以借助这些帮助而调节自己的行动，这样就可以带来所需要的结果，也就是，这样一来，所预期的新的感知就会来临……因此，询问朱红（硫化汞）如我们所看到的样子，是不是真正的红，或者只是我们的感官错觉，这是没有任何意义的。红的感觉就是正常的眼对自朱红上反射出来的光的正常反应……说从朱红上反射出来的光波具有某种长度却是不同的一个说法，如果不考虑到人类眼睛的特别本质，这个说法也是完全正确的。
这样一来，这位机械主义的生理学家就变成了心理学中的哲学家，而且很值得人们这么去看他。
亥姆霍兹的彩色视觉研究，只是他在许多年里对视觉感知全面探索的一个部分。他的研究成果，即《生理光学手册）（1856－1867），厚达50万字，除了他自己进行的研究之外，还包括前人在这方面进行的所有研究成果。在好几代人当中，这本著作一直是对人眼光学和神经性质研究的权威著作。他还就听力写过一部类似的著作，只是没有这一本厚而已。
在《生理光学手册》中，亥姆霍兹主要处理了视觉的物理学和生理学，还有就生理学过程进行的敏锐观察，思维是借助这些生理学过程解释来自视觉神经的信息的。他在感觉（任何颜色的光对视网膜的刺激，和因之而来的视觉神经脉冲）和感知（意识根据接收到的脉冲形成的有意义的解释）之间做了非常有价值的区分，而以前的心理学家们一直搞不懂这个问题。在其它感觉系统的输入中，他也做了同样的区分。
这种区分对亥姆霍兹的认识论至关重要。他同意康德的观点，认为感觉是由意识来解释并赋予意义的，可是，他不同意康德认为意识无生就具有能提供这些意义的“范畴”和“直觉”的观点。反过来，他说，意识学会了通过试误法来解释感觉——就是学习对一个视感觉来说，哪些反应会产生一个预期的结果，而哪些不产生预期的结果。
空间感就是一个切合的例子。康德说，意识天生就能直觉到空间关系；亥姆霍兹却说，我们是通过无意识的参考来认知空间的。在孩童时期，我们一点点地得知，如大小、方向和色彩的强度等的视觉线索与物体的远近，或者在我们的这面或者那面，上面或者下面有关系；通过经验，我们慢慢对空间关系形成了正确的判断。（每个观察过3个月的婴儿试着抓一个物体的父母都很清楚这个过程。）
英国实证主义联想主义者们曾说过很相似的话，可是，他们缺乏实际的证据来证明自己的观点，而作为彻底的实验科学家的亥姆霍兹却通过研究发现来支持自己的观点。
他突然想到，如果他可以颠倒到达受试者大脑的空间感－而且如果他的理论是正确的——则受试者应该能够适应这种倒错的视觉，并学会正确地解释它。这样，他就做了一副带棱镜的眼镜，使物体出现在实际位置的右边。当戴着这样的眼镜的受试者试图碰触面前的物体时，他们就会错过去——他们把手伸向明显的，而不是实际的位置。
接下来，他让这些受试者戴着眼镜继续抓物体，然后碰触物体；他们开始得有意识地向从眼镜里面看到的物体的左边伸手，可是，几分钟后，他们很快就毫不犹豫地按照物体实际的位置去抓物体了。他们已经经历了感知适应，他们的意识已经重新解释了从视觉神经传递过来的信息，而且能够根据现实的相对关系看见物体了。
最后，当他们摘下眼镜再抓物体时，他们又错过了物体，这次是抓到实际物体的左边去了。他们正常的空间方向感需要一段时间复原。
亥姆霍兹不同意康德有关天生能力，即能解释因果关系的能力的观点。对于其余部分，他坚持说，几乎所有的知识和思想都是意识对感觉经验解释的结果，而这些解释，特别是与空间感有关的感知，在很大程度上都是无意识参考的结果。
这个观点受到当时心理学家们的激烈反对，因为他们认为，意识天生就能解释其感知。他们用天生论观点解释的一个关键的功能，就是来自眼睛的两个图象合并起来形成了一单个三维图象。有些人说，视网膜上的每个点都接受同样多的信息，正如另一个视网膜上相应的点一样，而且，两根视觉神经因此就把图象合并起来形成了一个图象。一位反对亥姆霍兹观点的人说，每个视网膜都有天生的“符号”，可以区别高度、左右方向，以及深度，因而使神经系统可以在到达大脑前将图象合并起来。
亥姆霍兹驳斥了这种看法。他写道，先天论是“一种非必然的推想”；它依赖无法证明的假设，而且对实验理论可证实的事实没有作出任何贡献。他用来证实经验就是一些使我们能够把成对的图象作为一个单一的图象来感知的东西的最强有力的证据就是立体镜。这个仪器是1833年由查尔斯·惠斯通发明的，通过这个仪器，观察的人看到的不是两个同等的图象，而是两个从稍有不同的角度取来的稍为不同的图象。这些图象投射在视网膜上，因此并不能够形成点对点的偶合，可是如果一个新来的观察者在立体镜里面看一阵子后，他或者她突然看到一个图象——三维的图象。两种并非等同的图象的合并得出了一个与任何一个图象都不同的图象，这是发生在大脑里的经验导致的结果。
最后，亥姆霍兹并没有完全击败反对者，先天论以一种或另一种掩护存活下来，包括格式塔心理学和更近时期的基因心理学和对气质的分析。可是，自亥姆霍兹时代以后的心理学主流大部分都是实证主义和实验性的。他本人认为自己不是一位心理学家，可是，他将会吃惊地发现，他对心理学产生的深远影响超过了他对物理学和生理学的贡献。
心理物理学：费希纳
正当通情达理、正常而年轻的亥姆霍兹开始积累大量证据，证明他自己对神经及心理现象的机械主义观点时，莱比锡大学一位富于幻想和神经质的中年教授也在努力工作，他要证明，宇宙内所有的人、动物和植物都是由物质和灵魂构成的。居士塔夫·西奥多·费希纳（1801－1887）没有达到这个目的，不过，在收集数据来显示刺激（物质世界）和所得的感觉（意识或者灵魂的世界）之间的数学关系时——他认为这种关系可以证明他的泛心灵哲学——他却发展出了一套研究方法，自他以后的实验心理学家都使用这个方法来发展他所要证明无效的物质主义心理学。
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