“時間”，到底是什麼？_風聞

時間，這個我們日常感知卻又難以捉摸的概念，究竟是客觀存在的物理實體，還是大腦編織的精妙錯覺？在這篇神經科學家和物理學家的對談中，我們將看到大腦與時間的神秘關聯。

撰文 | Dan Falk

翻譯丨yhc

審校丨7號機

我從記事起就對“時間”充滿了好奇。大學念物理的時候，時間總是悄悄藏在背景裏——它是教授們在公式里加上的那個“t”，但沒人能真正説清它到底是什麼。很多年後，我寫了一本關於時間的書，裏面有牛頓和愛因斯坦的理論，還有不少哲學思考，可我總覺得，仍然缺了點什麼。

關於波函數Ψ滿足薛定諤方程的推導

先説個簡單的例子吧，我們知道鐘錶能按時間走，但我們自己是怎麼感知時間的呢？比如你在看電視，廣告開始了，你就知道這段時間夠你去趟洗手間，或者做個三明治——而且你大概率能剛好在廣告結束時回到電視前。那我們為什麼判斷這個時間間隔那麼準呢？

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我想，也許神經科學家迪恩·博南諾（Dean Buonomano）能給出一些答案。博南諾提出過一個重要觀點：大腦裏掌管時間感的，並不是像鐘錶一樣的某個單獨“計時器”，而是大量神經元相互協作形成的網絡，這種機制被稱為“神經動力學”（neural dynamics）。

但在博南諾看來，大腦不僅僅是在記錄時間，甚至可以説，它是在“創造”時間。正是因為大腦，我們才會感到時間在“流逝”，儘管物理學並沒有在外部世界找到這種流動的證據。更重要的是，大腦讓我們能夠進行“心靈時間旅行”——回憶過去的事情，想象未來的情景。博南諾認為，這種能力對人類的發展至關重要，它幫助我們的祖先從非洲草原一路走向今天遍佈全球的文明。

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博南諾今年 60 歲，性格親切隨和，是加州大學洛杉磯分校神經生物學和心理學系的教授，並領導着布奧諾馬諾實驗室。他最近的一本書名叫《大腦是台時光機：時間的神經科學與物理學》（Your Brain is a Time Machine: The Neuroscience and Physics of Time）。不久前，我通過視頻會議和他聊了聊。（編者注：藍色字體為作者提問）

你和我都寫過關於時間的書——不過你是神經科學家，而我不是，所以我想我們可以先從大腦説起。即使我在一個沒有鐘錶的房間裏，也能大致感覺到時間過去了多久。大腦是怎麼做到的？我猜它肯定不像腦子裏裝了個小鐘表那麼簡單。那麼，這裏面到底發生了什麼呢？

大腦在不同的時間尺度上，有着截然不同的“計時機制”。比如我們有生物節律鍾，它會告訴你什麼時候餓了、什麼時候該睡覺、什麼時候該起牀。但這種“鍾”沒有秒針，它不能精確計時，也幫不了你判斷一首歌的節奏。它和其他類型的“鍾”是彼此獨立的。除此之外，我們還有別的“計時器”，它們讓我們能夠順暢地進行像這樣的一場對話。

我們知道，很多這種計時方式依賴於所謂的“神經元羣時鐘”——它是由一組神經元組成的迴路，一個神經元可以依次激活下一個，就像一排多米諾骨牌依次倒下。你可以把它想象成一個多米諾裝置：如果你擺了一長排骨牌，就能根據哪一塊正在倒下，來判斷時間的位置。

大腦就是用這種機制來感知毫秒級的時間，這在科學上被稱為“神經動力學”。神經元組成了一個動態系統，它們會產生特定的時空活動模式，而我們正是通過這些時空活動模式來感知時間。

雖然我們的大腦裏沒有一個小小的鐘表，但或許我們有點像是內置了一個“計時器”？

更準確地説，其實是整個大腦就是個計時器。你並不是只有一個小鐘，而是用整個大腦來感知時間。大腦裏並不存在一個統一集中的“總計時器”，而是所有的神經元都可以在需要的時候參與到計時中。

你剛才提到了我們身體裏的晝夜節律鍾，能不能簡單説説它是怎麼回事？

當然可以。晝夜節律鍾大概是我們最瞭解的一種大腦計時機制。它其實就是一種生化振盪器，通過負反饋迴路來運作：身體制造某種蛋白質，這種蛋白質又會抑制自身的生成，而這個過程大約是24小時一個週期。而且，你不一定需要大腦才能擁有晝夜節律鍾，植物和細菌也有。可以説，這是我們身體裏最原始、也最重要的“時鐘”，因為它與地球自轉緊密同步。

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那我的大腦對時間的感覺，是怎麼跟我們平常用的鐘表時間聯繫起來的呢？

其實，我們的大腦內部的“時鐘”和“計時器”需要跟外部的“客觀時間”進行校準。比如，如果你的晝夜節律鍾和外界時間不同步，就會出現時差反應。在更短的時間尺度上，我們所做的很多事情，其實都是在不斷調整自己對時間的判斷，讓它和外部世界保持一致。舉個例子，如果你是音樂家，你的大腦裏有控制節奏的內部機制，但你也會用節拍器來校準節奏。

幾千年前，人們沒有外部的鐘表，如果你在當時想接住飛來的東西，或者向移動的目標投擲長矛，這些都是時間判斷的問題，你必須根據物理規律和外部環境來精準控制動作的時機。

雖然好萊塢電影裏的“穿越時空”還是科幻，但我們確實有一種叫做‘心靈時間旅行’的能力。這是什麼意思？

哆啦a夢的時光機

“心靈時間旅行”就是指我們能回想過去發生的事情，也能在腦海裏模擬或想象未來的各種情景。這是人類最基本、最獨特的認知能力之一，正是它讓我們發展到今天的文明。比如農業——這是人類最重要的技術進步之一。種下一顆種子，未來就能收穫糧食，看起來很簡單吧？但這個簡單的想法，對其他動物來説完全做不到，甚至早期的人類也花了幾百萬年才實現。為什麼？因為這需要“心靈時間旅行”的能力。沒有它，你很難説：“我今天種下種子，是為了幾個月甚至幾年後的收穫。”能夠在腦中連接“因果關係”的長時間跨度，是大多數動物根本做不到的。

為什麼我們認為這種能力是人類獨有的呢？

主要是因為人類在這方面的能力特別強。雖然有些動物也會有面向未來的行為，比如松鼠儲存食物、河狸築壩、鳥兒搭巢，但大多數研究認為這些行為是天生的本能。動物似乎並不真正“知道”自己為什麼要這樣做，這正是進化的方式：通過本能讓它們能夠進行面向未來的行動，而不需要理解背後的原因。

你要知道，雖然“心靈時間旅行”和預測未來的能力非常強大，但它也可能帶來巨大的心理衝擊。早期的一些人類可能會想到未來，然後驚恐地意識到：“糟糕，我終有一死。”他們意識到了自己的有限生命。這種認知能力，可能正是促使人類產生宗教等超自然信仰的原因之一。超自然信仰或許部分是為了幫助我們應對這種對未來和死亡的恐懼。畢竟，還有什麼比相信“死後還有來生”更能讓人安心呢？

我想知道語言的發展是否和“心靈時間旅行”的能力有關？

我覺得兩者肯定是緊密相連的。為了準備未來，我們需要語言和符號來進行計劃，也需要藉助語言來量化時間的流逝。我認為語言和心靈時間旅行是一起進化的。另外很有意思的是，在很多文化裏，人們談論時間時都會用空間概念來比喻。有人認為，我們的大腦本來就有處理空間——比如左右、南北——的神經迴路，這對於追蹤遷徙的動物非常重要。後來這些處理空間的迴路被“改造”用來幫助我們在腦海中“穿越時間”。我們有過去、現在和未來。當我們説“這一天過得很漫長”，“我很期待見到你”，或者“事後看來，那不是我的最佳決定”，其實都是在用空間的概念來描述時間。這正是我們用來進行心靈時間旅行的工具，也呼應了你説的語言和心靈時間旅行之間的關係。

有趣的是，我們有時候也會反過來，用時間來描述空間。比如我們會説：“購物中心離這裏有10分鐘路程。”

這是個很好的例子，但類似的情況其實並不多。我覺得我們更多的是用空間的概念來理解時間，而不是用時間的概念來理解空間。

我們對時間最直觀的感受就是它似乎在流動：未來變成現在，現在又變成過去。但這種“流動”其實很難捉摸。那麼，這種時間的流動，是真實存在於物理世界的嗎？還是大腦創造出來的感覺？

時間正處在科學上一個複雜難解的謎團中心，牽涉到自由意志、意識，以及相對論和量子力學的統一問題。對此，主要有兩種觀點。

其中一種觀點叫做“現在主義”（presentism），這是人們最直觀的想法——認為只有現在是真實存在的，過去已經不存在，未來還未發生。我們能在現在做出行動，進而改變和塑造未來。這種觀點在歷史上一直占主導地位。但從愛因斯坦開始，現代物理學對時間的理解開始發生變化。現在，神經科學和物理學之間存在一種矛盾。許多物理學家和哲學家認為，物理定律表明“現在主義”是錯誤的，正確的觀點是“永恆主義”（eternalism），也叫“塊狀宇宙”（block universe）理論。

在永恆主義裏，“現在”之於時間，就像“這裏”之於空間。我們毫不奇怪地説，你我都存在於空間中，儘管你在多倫多，我在洛杉磯；同樣地，在時間裏，也存在過去和未來的“你”的不同版本，它們同時存在。時間的感知，是進化賦予我們的能力，幫助我們理解變化的過程。

我覺得，讓大家最容易理解“時間是這樣被展開的”這個概念的方法，就是通過時間旅行的想象，也就是好萊塢電影裏的時間旅行。但在“現在主義”觀點下，時間旅行是完全不可能的，因為你無法穿越到那些根本不存在的時刻。

所以，不管是《終結者》還是《源代碼》這類我們喜歡的時間旅行電影，從科學角度來看，都是不成立的幻想。這答案有點繞，但在“永恆主義”看來，我們主觀感受到的時間流逝其實很難解釋，有些物理學家和哲學家認為這只是大腦製造的幻覺。

換句話説，因為在物理世界中時間並沒有像我們感覺的那樣流動，所以這種流動感必須是大腦強加給我們的錯覺。這也是神經科學和物理學之間產生矛盾和爭論的原因之一。

終結者劇照

説到時間和空間的區別，感覺它們確實很不同，對吧？畢竟，我們對自己在空間中的位置有一定的控制權——想向東走一步，或者向西走一步，都沒問題。但我們沒有那種自由能在時間中隨意移動。

我覺得這也是為什麼有些哲學家和物理學家支持永恆主義的原因之一。物理定律並沒有告訴我們“現在”這個時刻有什麼特別之處。而且，物理定律通常是時間可逆的——你可以用牛頓定律或愛因斯坦定律向前推算未來，也可以向後推算過去。此外，相對論告訴我們，根本沒有絕對的“現在”。如果我以非常高速在不同的參考系裏運動，那麼問“丹現在在做什麼？”就沒有意義，因為我們的鐘表走得速度不同。有人據此認為，或許根本不存在“現在”，所有時刻其實都已經“在那裏”了。

你提到我們可以在空間中自由移動，但不能在時間中這樣做，這一點確實很重要，也引出了“時間之箭”的問題。物理學對此有一些解釋。其中一個解釋和“熱力學第二定律”有關——它説孤立系統的熵（大致來説就是無序程度）總是在增加。同時，宇宙一開始處於一個非常低熵的狀態。正是這兩個因素共同作用，才讓時間看起來總是向前流動，也就是我們説的“時間之箭”。不過，物理定律本身並不支持某一種時間觀念，它既不證明永恆主義，也不證明現在主義，這些只是不同的解釋方式。

麥克斯韋妖，來源wikipedia

我正在努力想象永恆主義所提出的這種‘塊狀宇宙’。如果過去、現在和未來都像一塊固體那樣排列着，那我們當下的行為如何能影響未來呢？未來難道不是在某種意義上已經“固定”了嗎？

你説得很對。在永恆主義的觀點裏，其實沒有自由意志。事情在某種意義上已經註定了，因為它們從某種角度來看已經“發生”了。所以，按照這個觀點，傳統意義上的自由意志幾乎沒有空間。

永恆主義挑戰了我們的直覺，但現在主義其實也很奇怪。我們能記住過去，能想象未來，但很難説清楚，到底是什麼讓“現在”這個時刻比其他所有時刻更真實。

我們要明白，其實我們所説的“現在”更像是一個整合的時間窗口。這涉及心理學和神經科學。比如你聽我説話時，聲音傳到你耳朵有個延遲（因為聲音傳播速度有限），而你的大腦會把這段延遲時間“整合”起來。如果我們面對面説話，你的眼睛會先看到我嘴唇的動作，而聲音到達耳朵則稍有延遲。大腦通過整合這些信息，創造出一種感覺，讓我們覺得這些事情是同時發生的。這個“現在”有一定的彈性和適應性。比如你坐在音樂廳的遠處座位，看到有人敲鈸，聲音會有明顯延遲；而坐近處則幾乎同步。所以，對大腦來説，“現在”是靈活而可調整的，但我認為這並不像永恆主義那樣神秘。

我們或許還會好奇，為什麼會有時間“流動”的感覺呢？

其實，我們進化出了這樣一種感覺——過去不再真實，現在是真實的，未來還未真實——是因為這樣更適應環境。為什麼呢？因為這確實符合宇宙的運行方式。這並不是説我們感知的每一件事都完全等同於真實世界，但大多數時候，它們是相符的。舉個顏色的例子：顏色在物理學裏其實不存在，但我們可以用光的波長來近似描述顏色。大腦的“技巧”，也是進化的“訣竅”，是讓我們能夠像擁有小型光譜儀一樣感知世界。我們對時間的意識正是來自於進化，這是讓我們理解外部世界變化和時間流逝的方式。這種感覺是有適應意義的，因為它確實反映了物理世界的一個真實特性。

歸根結底，我們的大腦確實會限制我們回答這些深奧問題的能力嗎？

我非常認同這一點，覺得很難想象會有別的情況。我們的腦子是進化的產物，進化選擇了適合我們在過去那個世界生存的認知結構。那個世界裏，我們要努力求生、尋找食物、保護自己、找地方避難、繁衍後代。而現在，我們已經不再生活在那個世界中了。

我認為，任何信息處理裝置都會有它的侷限，而人類大腦的侷限性尤為明顯。舉個例子，量子力學。顯然，大腦並不是為了理解光子是波還是粒子而進化出來的。關於量子力學不同解釋的爭論，實際上也是神經科學的討論，因為它反映了人類大腦理解能力的侷限。我們必須意識到，人腦的侷限性會影響到許多領域，時間研究就是其中之一。神經科學很特殊，因為它是唯一一個研究對象本身也在“做研究”的科學領域。這種情況並不理想，因為很容易產生偏見和侷限。

但我想説的是，面對這些侷限，有一種非常強大的工具可以幫我們突破——那就是數學。因為一旦你能用一組方程來描述事物，是不是完全理解它其實沒那麼重要。你只需要把這些方程輸入電腦，電腦就能計算出未來會發生什麼，可能會發生什麼，或者過去發生了什麼。

數學讓我們能夠突破大腦自身的侷限，這也是物理學之所以如此強大的原因。藉助數學，我們可以非常精確地描述地球上發生的幾乎所有現象——除非你生活在粒子對撞機裏，或者住在黑洞旁邊。而數學正是讓這一切成為可能的工具。現在，“現在主義”和“永恆主義”之間的爭論，其實歸根結底就是對數學的不同解讀。這也提醒我們，要更加清醒地認識到人類大腦的侷限性。

本文經授權轉載自微信公眾號“中科院物理所”，原標題《從學物理開始就經常提到的“時間”，到底是什麼？》，原文譯自 Does Anybody Really Know What Time Is?

https://nautil.us/does-anybody-really-know-what-time-is-1223272/?_sp=3ed7afaf-7651-421e-a1a6-c563cd8ad210.1754734115075。

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