“时间”，到底是什么？_风闻

时间，这个我们日常感知却又难以捉摸的概念，究竟是客观存在的物理实体，还是大脑编织的精妙错觉？在这篇神经科学家和物理学家的对谈中，我们将看到大脑与时间的神秘关联。

撰文 | Dan Falk

翻译丨yhc

审校丨7号机

我从记事起就对“时间”充满了好奇。大学念物理的时候，时间总是悄悄藏在背景里——它是教授们在公式里加上的那个“t”，但没人能真正说清它到底是什么。很多年后，我写了一本关于时间的书，里面有牛顿和爱因斯坦的理论，还有不少哲学思考，可我总觉得，仍然缺了点什么。

关于波函数Ψ满足薛定谔方程的推导

先说个简单的例子吧，我们知道钟表能按时间走，但我们自己是怎么感知时间的呢？比如你在看电视，广告开始了，你就知道这段时间够你去趟洗手间，或者做个三明治——而且你大概率能刚好在广告结束时回到电视前。那我们为什么判断这个时间间隔那么准呢？

图源pixabay

我想，也许神经科学家迪恩·博南诺（Dean Buonomano）能给出一些答案。博南诺提出过一个重要观点：大脑里掌管时间感的，并不是像钟表一样的某个单独“计时器”，而是大量神经元相互协作形成的网络，这种机制被称为“神经动力学”（neural dynamics）。

但在博南诺看来，大脑不仅仅是在记录时间，甚至可以说，它是在“创造”时间。正是因为大脑，我们才会感到时间在“流逝”，尽管物理学并没有在外部世界找到这种流动的证据。更重要的是，大脑让我们能够进行“心灵时间旅行”——回忆过去的事情，想象未来的情景。博南诺认为，这种能力对人类的发展至关重要，它帮助我们的祖先从非洲草原一路走向今天遍布全球的文明。

图源 pixabay

博南诺今年 60 岁，性格亲切随和，是加州大学洛杉矶分校神经生物学和心理学系的教授，并领导着布奥诺马诺实验室。他最近的一本书名叫《大脑是台时光机：时间的神经科学与物理学》（Your Brain is a Time Machine: The Neuroscience and Physics of Time）。不久前，我通过视频会议和他聊了聊。（编者注：蓝色字体为作者提问）

你和我都写过关于时间的书——不过你是神经科学家，而我不是，所以我想我们可以先从大脑说起。即使我在一个没有钟表的房间里，也能大致感觉到时间过去了多久。大脑是怎么做到的？我猜它肯定不像脑子里装了个小钟表那么简单。那么，这里面到底发生了什么呢？

大脑在不同的时间尺度上，有着截然不同的“计时机制”。比如我们有生物节律钟，它会告诉你什么时候饿了、什么时候该睡觉、什么时候该起床。但这种“钟”没有秒针，它不能精确计时，也帮不了你判断一首歌的节奏。它和其他类型的“钟”是彼此独立的。除此之外，我们还有别的“计时器”，它们让我们能够顺畅地进行像这样的一场对话。

我们知道，很多这种计时方式依赖于所谓的“神经元群时钟”——它是由一组神经元组成的回路，一个神经元可以依次激活下一个，就像一排多米诺骨牌依次倒下。你可以把它想象成一个多米诺装置：如果你摆了一长排骨牌，就能根据哪一块正在倒下，来判断时间的位置。

大脑就是用这种机制来感知毫秒级的时间，这在科学上被称为“神经动力学”。神经元组成了一个动态系统，它们会产生特定的时空活动模式，而我们正是通过这些时空活动模式来感知时间。

虽然我们的大脑里没有一个小小的钟表，但或许我们有点像是内置了一个“计时器”？

更准确地说，其实是整个大脑就是个计时器。你并不是只有一个小钟，而是用整个大脑来感知时间。大脑里并不存在一个统一集中的“总计时器”，而是所有的神经元都可以在需要的时候参与到计时中。

你刚才提到了我们身体里的昼夜节律钟，能不能简单说说它是怎么回事？

当然可以。昼夜节律钟大概是我们最了解的一种大脑计时机制。它其实就是一种生化振荡器，通过负反馈回路来运作：身体制造某种蛋白质，这种蛋白质又会抑制自身的生成，而这个过程大约是24小时一个周期。而且，你不一定需要大脑才能拥有昼夜节律钟，植物和细菌也有。可以说，这是我们身体里最原始、也最重要的“时钟”，因为它与地球自转紧密同步。

图源 pixabay

那我的大脑对时间的感觉，是怎么跟我们平常用的钟表时间联系起来的呢？

其实，我们的大脑内部的“时钟”和“计时器”需要跟外部的“客观时间”进行校准。比如，如果你的昼夜节律钟和外界时间不同步，就会出现时差反应。在更短的时间尺度上，我们所做的很多事情，其实都是在不断调整自己对时间的判断，让它和外部世界保持一致。举个例子，如果你是音乐家，你的大脑里有控制节奏的内部机制，但你也会用节拍器来校准节奏。

几千年前，人们没有外部的钟表，如果你在当时想接住飞来的东西，或者向移动的目标投掷长矛，这些都是时间判断的问题，你必须根据物理规律和外部环境来精准控制动作的时机。

虽然好莱坞电影里的“穿越时空”还是科幻，但我们确实有一种叫做‘心灵时间旅行’的能力。这是什么意思？

哆啦a梦的时光机

“心灵时间旅行”就是指我们能回想过去发生的事情，也能在脑海里模拟或想象未来的各种情景。这是人类最基本、最独特的认知能力之一，正是它让我们发展到今天的文明。比如农业——这是人类最重要的技术进步之一。种下一颗种子，未来就能收获粮食，看起来很简单吧？但这个简单的想法，对其他动物来说完全做不到，甚至早期的人类也花了几百万年才实现。为什么？因为这需要“心灵时间旅行”的能力。没有它，你很难说：“我今天种下种子，是为了几个月甚至几年后的收获。”能够在脑中连接“因果关系”的长时间跨度，是大多数动物根本做不到的。

为什么我们认为这种能力是人类独有的呢？

主要是因为人类在这方面的能力特别强。虽然有些动物也会有面向未来的行为，比如松鼠储存食物、河狸筑坝、鸟儿搭巢，但大多数研究认为这些行为是天生的本能。动物似乎并不真正“知道”自己为什么要这样做，这正是进化的方式：通过本能让它们能够进行面向未来的行动，而不需要理解背后的原因。

你要知道，虽然“心灵时间旅行”和预测未来的能力非常强大，但它也可能带来巨大的心理冲击。早期的一些人类可能会想到未来，然后惊恐地意识到：“糟糕，我终有一死。”他们意识到了自己的有限生命。这种认知能力，可能正是促使人类产生宗教等超自然信仰的原因之一。超自然信仰或许部分是为了帮助我们应对这种对未来和死亡的恐惧。毕竟，还有什么比相信“死后还有来生”更能让人安心呢？

我想知道语言的发展是否和“心灵时间旅行”的能力有关？

我觉得两者肯定是紧密相连的。为了准备未来，我们需要语言和符号来进行计划，也需要借助语言来量化时间的流逝。我认为语言和心灵时间旅行是一起进化的。另外很有意思的是，在很多文化里，人们谈论时间时都会用空间概念来比喻。有人认为，我们的大脑本来就有处理空间——比如左右、南北——的神经回路，这对于追踪迁徙的动物非常重要。后来这些处理空间的回路被“改造”用来帮助我们在脑海中“穿越时间”。我们有过去、现在和未来。当我们说“这一天过得很漫长”，“我很期待见到你”，或者“事后看来，那不是我的最佳决定”，其实都是在用空间的概念来描述时间。这正是我们用来进行心灵时间旅行的工具，也呼应了你说的语言和心灵时间旅行之间的关系。

有趣的是，我们有时候也会反过来，用时间来描述空间。比如我们会说：“购物中心离这里有10分钟路程。”

这是个很好的例子，但类似的情况其实并不多。我觉得我们更多的是用空间的概念来理解时间，而不是用时间的概念来理解空间。

我们对时间最直观的感受就是它似乎在流动：未来变成现在，现在又变成过去。但这种“流动”其实很难捉摸。那么，这种时间的流动，是真实存在于物理世界的吗？还是大脑创造出来的感觉？

时间正处在科学上一个复杂难解的谜团中心，牵涉到自由意志、意识，以及相对论和量子力学的统一问题。对此，主要有两种观点。

其中一种观点叫做“现在主义”（presentism），这是人们最直观的想法——认为只有现在是真实存在的，过去已经不存在，未来还未发生。我们能在现在做出行动，进而改变和塑造未来。这种观点在历史上一直占主导地位。但从爱因斯坦开始，现代物理学对时间的理解开始发生变化。现在，神经科学和物理学之间存在一种矛盾。许多物理学家和哲学家认为，物理定律表明“现在主义”是错误的，正确的观点是“永恒主义”（eternalism），也叫“块状宇宙”（block universe）理论。

在永恒主义里，“现在”之于时间，就像“这里”之于空间。我们毫不奇怪地说，你我都存在于空间中，尽管你在多伦多，我在洛杉矶；同样地，在时间里，也存在过去和未来的“你”的不同版本，它们同时存在。时间的感知，是进化赋予我们的能力，帮助我们理解变化的过程。

我觉得，让大家最容易理解“时间是这样被展开的”这个概念的方法，就是通过时间旅行的想象，也就是好莱坞电影里的时间旅行。但在“现在主义”观点下，时间旅行是完全不可能的，因为你无法穿越到那些根本不存在的时刻。

所以，不管是《终结者》还是《源代码》这类我们喜欢的时间旅行电影，从科学角度来看，都是不成立的幻想。这答案有点绕，但在“永恒主义”看来，我们主观感受到的时间流逝其实很难解释，有些物理学家和哲学家认为这只是大脑制造的幻觉。

换句话说，因为在物理世界中时间并没有像我们感觉的那样流动，所以这种流动感必须是大脑强加给我们的错觉。这也是神经科学和物理学之间产生矛盾和争论的原因之一。

终结者剧照

说到时间和空间的区别，感觉它们确实很不同，对吧？毕竟，我们对自己在空间中的位置有一定的控制权——想向东走一步，或者向西走一步，都没问题。但我们没有那种自由能在时间中随意移动。

我觉得这也是为什么有些哲学家和物理学家支持永恒主义的原因之一。物理定律并没有告诉我们“现在”这个时刻有什么特别之处。而且，物理定律通常是时间可逆的——你可以用牛顿定律或爱因斯坦定律向前推算未来，也可以向后推算过去。此外，相对论告诉我们，根本没有绝对的“现在”。如果我以非常高速在不同的参考系里运动，那么问“丹现在在做什么？”就没有意义，因为我们的钟表走得速度不同。有人据此认为，或许根本不存在“现在”，所有时刻其实都已经“在那里”了。

你提到我们可以在空间中自由移动，但不能在时间中这样做，这一点确实很重要，也引出了“时间之箭”的问题。物理学对此有一些解释。其中一个解释和“热力学第二定律”有关——它说孤立系统的熵（大致来说就是无序程度）总是在增加。同时，宇宙一开始处于一个非常低熵的状态。正是这两个因素共同作用，才让时间看起来总是向前流动，也就是我们说的“时间之箭”。不过，物理定律本身并不支持某一种时间观念，它既不证明永恒主义，也不证明现在主义，这些只是不同的解释方式。

麦克斯韦妖，来源wikipedia

我正在努力想象永恒主义所提出的这种‘块状宇宙’。如果过去、现在和未来都像一块固体那样排列着，那我们当下的行为如何能影响未来呢？未来难道不是在某种意义上已经“固定”了吗？

你说得很对。在永恒主义的观点里，其实没有自由意志。事情在某种意义上已经注定了，因为它们从某种角度来看已经“发生”了。所以，按照这个观点，传统意义上的自由意志几乎没有空间。

永恒主义挑战了我们的直觉，但现在主义其实也很奇怪。我们能记住过去，能想象未来，但很难说清楚，到底是什么让“现在”这个时刻比其他所有时刻更真实。

我们要明白，其实我们所说的“现在”更像是一个整合的时间窗口。这涉及心理学和神经科学。比如你听我说话时，声音传到你耳朵有个延迟（因为声音传播速度有限），而你的大脑会把这段延迟时间“整合”起来。如果我们面对面说话，你的眼睛会先看到我嘴唇的动作，而声音到达耳朵则稍有延迟。大脑通过整合这些信息，创造出一种感觉，让我们觉得这些事情是同时发生的。这个“现在”有一定的弹性和适应性。比如你坐在音乐厅的远处座位，看到有人敲钹，声音会有明显延迟；而坐近处则几乎同步。所以，对大脑来说，“现在”是灵活而可调整的，但我认为这并不像永恒主义那样神秘。

我们或许还会好奇，为什么会有时间“流动”的感觉呢？

其实，我们进化出了这样一种感觉——过去不再真实，现在是真实的，未来还未真实——是因为这样更适应环境。为什么呢？因为这确实符合宇宙的运行方式。这并不是说我们感知的每一件事都完全等同于真实世界，但大多数时候，它们是相符的。举个颜色的例子：颜色在物理学里其实不存在，但我们可以用光的波长来近似描述颜色。大脑的“技巧”，也是进化的“诀窍”，是让我们能够像拥有小型光谱仪一样感知世界。我们对时间的意识正是来自于进化，这是让我们理解外部世界变化和时间流逝的方式。这种感觉是有适应意义的，因为它确实反映了物理世界的一个真实特性。

归根结底，我们的大脑确实会限制我们回答这些深奥问题的能力吗？

我非常认同这一点，觉得很难想象会有别的情况。我们的脑子是进化的产物，进化选择了适合我们在过去那个世界生存的认知结构。那个世界里，我们要努力求生、寻找食物、保护自己、找地方避难、繁衍后代。而现在，我们已经不再生活在那个世界中了。

我认为，任何信息处理装置都会有它的局限，而人类大脑的局限性尤为明显。举个例子，量子力学。显然，大脑并不是为了理解光子是波还是粒子而进化出来的。关于量子力学不同解释的争论，实际上也是神经科学的讨论，因为它反映了人类大脑理解能力的局限。我们必须意识到，人脑的局限性会影响到许多领域，时间研究就是其中之一。神经科学很特殊，因为它是唯一一个研究对象本身也在“做研究”的科学领域。这种情况并不理想，因为很容易产生偏见和局限。

但我想说的是，面对这些局限，有一种非常强大的工具可以帮我们突破——那就是数学。因为一旦你能用一组方程来描述事物，是不是完全理解它其实没那么重要。你只需要把这些方程输入电脑，电脑就能计算出未来会发生什么，可能会发生什么，或者过去发生了什么。

数学让我们能够突破大脑自身的局限，这也是物理学之所以如此强大的原因。借助数学，我们可以非常精确地描述地球上发生的几乎所有现象——除非你生活在粒子对撞机里，或者住在黑洞旁边。而数学正是让这一切成为可能的工具。现在，“现在主义”和“永恒主义”之间的争论，其实归根结底就是对数学的不同解读。这也提醒我们，要更加清醒地认识到人类大脑的局限性。

本文经授权转载自微信公众号“中科院物理所”，原标题《从学物理开始就经常提到的“时间”，到底是什么？》，原文译自 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。

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。