本文經授權摘錄自《大腦是臺時光機》
《大腦是臺時光機》節選
我們能讓物理學
和時間神經科學達成調和嗎
愛因斯坦是一位永恆論者，但他似乎也對「現在」的明顯特殊性感到困擾。哲學家魯道夫·卡爾納普（Rudolf Carnap）回憶跟愛因斯坦進行的一場討論，對此做了詳盡的說明：
有一次，愛因斯坦說起，他為「現在」的問題感到發愁。他解釋說，「現在」的體驗對人意味著某種特別的事情，某種跟過去和將來有著本質不同的事情，但這種重要差異，在物理學中體現不出來，也不可能體現出來。在他看來，科學無法把握這種體驗，是一個令人痛苦而又不得不承認的問題。我評論說，客觀上發生的一切都可以用科學來描述；一方面，事件的時間順序在物理學中得到了描述；另一方面，人對時間相關體驗的特殊性，包括他對待過去、現在和將來的不同態度，可以用心理學來描述和（原則上亦可用）解釋。
一如卡爾納普所說，許多物理學家和哲學家都相信，從概念上說，「我們生活在一個時間不會流動的宇宙」；從事實上看，「時間明明就會流動」。而要想把二者調和起來，唯一的辦法是把我們的時間流逝感歸結為一種心靈戲法。
在實踐中，物理學家通常可以忽略物理學與時間神經科學之間的不和諧。狹義和廣義相對論的方程式好到近乎離譜地闡釋了實驗數據——不管運用方程的人持有的是永恆論還是現在論。然而，這種「塊體宇宙/時間流逝」悖論，意義非常深刻。數學物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）說：
在我看來，我們對時間流逝的意識感受，以及我們用來斷言物理世界現實的理論（這一理論無比準確）之間存在嚴重的分歧。這些分歧必定會向我們透露出某種人類意識感知賴以為基礎的深刻物理知識……
物理學家兼作家保羅·戴維斯（Paul Davies）也寫過類似的話：
時間在流動、在行進這一無法抵擋的印象（或許是通過精神「後門」產生的）是個極為深刻的謎。它與大腦中的量子過程有關嗎？它是否反映了在物質世界中時間就在「那兒」的客觀真實性質？只不過我們忽視了它？或者說，時間的流動完全是一種心理構建——是一種錯覺或混淆？
時間流動性這樣不言而喻的事情，怎麼可能是大腦施展的錯覺呢？這個問題有一種答案，它這樣說：我們可以把塊體宇宙想成是一系列的靜態幀，就像一卷膠捲那樣。儘管電影裡包含許多不同的幀（每一幀都代表時間裡的一個瞬間），可以說，所有幀都在膠捲裡共存。就像家庭電影的幀一樣，你出現在塊體宇宙的許多幀裡。在每一幀，你的意識裡都有此前一幀的記憶。有人假設，在一個瞬間內綜合性地訪問時間上的多個瞬間，帶來了我們主觀上的時間流逝感。獨立物理學家朱利安·巴伯（Julian Barbour ）通過觀察一種翠鳥（這種翠鳥叫kingfisher，是捕魚的高手）的動作，對此作了解釋：
當我們認為自己在某個瞬間看到了運動，潛在的現實是，在那一個瞬間，我們的大腦裡包含了運動物體出現在若干不同位置的對應數據。在任何一個瞬間，大腦都一次性地包含著若干「快照」。大腦，通過它將數據展現給意識的方式，為我「播放起了電影」……按照神經元模式的編碼，我看到翠鳥的6或7張快照，使得我認為自己看見了翠鳥正在飛行。不管怎麼說，這種大腦結構，以及它對若干快照的同時編碼，僅屬於一個……
如第1章所述，巴伯和其他一些物理學家，接受的是時間空間化的一種極端版本。他將永恆論的塊體宇宙沿著時間軸切割，又將切片分散在永恆的宇宙裡（他稱之為「柏拉圖尼亞」，Platonia）。巴伯認為，所有可能的時刻（也就是，構成時間中所有時刻的物質的一切不同配置），都以靜態的「現在」形式而存在。
在更為標準的永恆論觀點語境中，物理學家布萊恩·葛林（Brian Greene）提出了一個類似的想法，以求解釋為什麼我們儘管置身塊狀宇宙的切片中仍能感知到時間的流動：
時空中的每個時刻（每一時間切片）都像是膠捲裡的一幅靜態幀……對置身此類時刻的你來說，這就是現在，就是你體驗到那一時刻的時刻。而且，它將永遠如此。此外，在每一單獨的切片中，你的思想和記憶都足夠豐富，從而產生了時間不斷流向那個時刻的感覺。這種感覺，這種時間在流動的感知，不需要先前的時刻（之前的幀）「按順序點亮」。
毫無疑問，每個時刻，大腦都擁有前面時刻的記憶。我們在第6章中看到過，大腦是一個動態系統，能在此前事件的背景下對所有事件進行編碼——若非如此，它就不可能理解言說，因為每個詞語都必須放到之前詞語的語境下去闡釋（我們在第12章裡會看到，有時候，還要放到此後詞語的語境下）。然而，就算大腦可以從當前幀內訪問前面的幀，我仍然認為，「時間流動是錯覺」的概念太叫人難以置信了。實際上，對塊體宇宙/時間流悖論來說，這種「一個瞬間裡的多個瞬間」式解答是否與神經科學一致，還並不清楚。
塊體宇宙與神經科學相容嗎
大腦是一座錯覺工廠，大多數神經科學家和心理學家或許都能認同，我們主觀上的時間流逝感是一種錯覺。因此，將時間的流動視為意識的伎倆沒什麼不合理的地方。然而，問題在於，「錯覺」（illusion）這個詞在物理學和神經科學中意味著不同的東西。如果物理學家認為時間的流動是錯覺，她是在暗示，這一錯覺只存在於我們的意識，並非外部世界的特徵。而當神經科學家指出，我們對時間流逝的主觀感知是錯覺時，她是在說，和所有的主觀體驗一樣，它是一種心理構建，但它再現了一種外部世界確然存在的物理現象，儘管並不忠實。
大腦是演化的產物，而成功的演化其實就已對動物暗中理解、駕馭物理定律（至少是部分物理定律）的能力做了相當嚴格的測試。例如，要是翠鳥的神經系統不能運用牛頓定律，就不可能飛行：它除了要應用空氣動力學原理來控制飛行和俯衝的速度，還必須推斷未來，好讓自己的位置與水中遊魚的預計位置相一致。此外，視覺可能無法傳達魚的真實位置，因為水和空氣之間會發生光折射；有些動物會對這一光學效應做會些抵消。
這裡的要點是，神經系統跟物理定律是高度匹配的。它不僅適用於運動控制（比如體操運動員完成空中轉體兩周半），也適用於我們的主觀心理體驗。我們對顏色、音樂和氣味的感知，就是主觀心理構建的例子：也即所謂的「感受性」（qualia）。它們確實是錯覺，因為它們並不存在於外部世界，但它們是適應性的，因為它們中的每一種都與真實的物理現象相關：我們的色覺、樂感和嗅覺，分別對應著電磁波的長度、聲波的特定模式，以及分子的化學結構。然而，470納米的電磁輻射，並沒有「藍色」的固有特性，硫分子也並沒有著固有的腐爛氣味——事實上，對同一種氣味，不同的動物和人，可能會產生不同的感受：厭惡，中性，甚至吸引力。
為了理解我們主觀體驗的潛在適應性價值，讓我們回到大腦賦予意識的最親密錯覺：身體知覺（body awareness）。我們在第4章討論過，如果有人要用錘子砸你的手指，你會沉浸在疼痛中；令人驚訝的是，儘管疼痛是大腦內部產生的，但疼痛的感知，並不發生在大腦內部。不知怎麼回事，它被投射到外部世界，也就是那塊肉（而那塊肉又恰好是你的手）的位置。大腦孜孜不倦地產生錯覺，讓人以為擁有構成自己肢體的骨骼、肌肉和神經，有時候，哪怕是肢體已經被截斷，它仍會堅持生成錯覺。故此，從疼痛是一種心理構建的意義上說，疼痛是錯覺。然而，當你感受到投射在你手指的疼痛時，沒人會說錘子是一種錯覺，也沒人會說它壓根就沒砸中你的指頭。因此，身體知覺的錯覺不是無端端產生的；外部事件（錘子砸中了你的手指）和內部主觀體驗（疼痛）有著極強的相關性。要想保護好我們最重要的財產，還有什麼比賦予大腦疼痛感受能力更妙的方法嗎——身體知覺是意識與身體的終極整合，是能製造出來的最為精妙的計算機和外圍設備交互界面。
現在，我們對錯覺這個詞的不同含義，以及主觀體驗與物理現象之間的潛在聯繫有了一些認識，讓我們來考察兩種反對永恆論概念（也即時間是心理構建而非真實存在的物理現象）的論點。
演化
如果我們生活在時間確然流動的現在論宇宙，我們可以想像出無數的原因，說明人為何會適應性地能夠從主觀上感受到時間的流動。我們對顏色或疼痛的意識感知是適應性的，因為它們與外部世界的重要事件相關，出於類似的原因，我們的時間流動感是適應性的，興許也是因為它跟外部世界事件的展開有關係。我們對時間流逝的主觀感知，不僅令得我們可以體驗到翠鳥的俯衝，還能夠讓我們預測、回放和排練所有隨時間推進的外部事件。也許，時間流逝的感覺，對我們將自己投射到遙遠未來並在精神上進行時間旅行的能力十分關鍵（第11章）。但反過來說，如果我們生活在永恆論的宇宙，時間的流動並不是真的，我們產生時間的流逝感怎麼會具備進化優勢呢？當然，並非每一種生物學特性都必須提供進化上的益處，但事實上，大多數生物學特性都是如此，尤其是那些跟時間流逝感同樣顯著和普遍的特性。從「錯覺」這個詞最深刻的意義出發，說我們的主觀時間感是精神錯覺，似乎是在暗示，這種錯覺來得無緣無故。但實際上，時間的流逝感讓大腦能夠更好地完成預測未來這一重要任務，它是一種強有力的適應性。
意識與神經動力學
針對塊體宇宙/時間流悖論，「一個瞬間裡的多個瞬間」式解答隱含了一種假設：在一幀（一個瞬間）內討論意識是合理的。雖然我們不了解大腦怎樣產生意識，但毫無疑問，一些神經特性是與意識狀態緊密耦合的。例如，當大腦在意識（清醒）和無意識（慢波睡眠和麻醉）之間轉換時，大腦產生的最明顯變化是它活動的時間模式，尤其是大腦振蕩的頻率，它是神經活動同步性和計時的全局性指標。睡眠的特點是大腦緩慢振蕩，而清醒則與異步神經活動和大腦快速振蕩有關。總的來說，我們對意識神經科學的認識並不多，但這些許的認識已經告訴我們，這是一個高度動態的過程，在單幀的語境下討論意識，或許有點像是在電影的一幀畫面裡判斷一隻貓是死還是活。這隻貓在呼吸嗎？心臟跳動嗎？動物每個細胞裡的分子積極參與新陳代謝了嗎？（新陳代謝過程是演進對第二熱力學定律的解毒劑。）生命是由持續的代謝變化來定義的；如果沒有新陳代謝，就不能說動物是活著的。為了判斷動物是否還活著，我們不僅要看電影裡的單獨一幀畫面，還要看前一幀和後一幀。然而，生命並不代表反對永恆論的論點，因為在判斷動物的死活時，我們不必把自己局限在單獨的一幀畫面裡（我們可以多等等，多看幾幀畫面再做判斷）。有一種相關的論點涉及到芝諾悖論：如果我們看到的是無限小的時間切片，能說一支箭是在飛行嗎？從某種意義上說，答案是肯定的，因為我們可以定義物體的瞬時速度。但跟箭不同的是，在這些瞬時幀中，有意識的生物必然知曉自己的「運動」。所以問題變成了：塊體宇宙的一幀切片就能維持意識現象嗎？還是說，意識需要一定的時間厚度？也就是說，意識是不是只能存在於若干時間切片當中，更類似音樂，而不是動態電影幀裡的靜態圖像？史蒂芬·平克似乎暗示了在靜態幀內理解意識的難度。他說，「物質在空間中延伸，但意識必定在時間中的存在，一如它從『我想』前進到了『我是』。」
我們將看到，對我們身邊展開的事件，意識既不提供連續敘述，也不提供線性敘述。相反，它似乎是時斷時續生成的，對外部事件的意識知覺，需要數百毫秒才能確立。因此，目前尚不清楚談論瞬時意識是否有意義，以及，意識現象是否跟針對塊體宇宙/時間流悖論的「一個瞬間裡的多個瞬間」式解答相兼容。
物理定律並沒有明確地聲稱我們生活在4維塊體宇宙中。塊體宇宙誠然提供了最為符合狹義和廣義相對論的闡釋，但人們承認，就算在物理學界，對時間的本質也並未達成普遍一致。學者們不斷嘗試在各種物理學中實現對時間性質創造出一套連貫的闡釋。時間在廣義相對論和量子力學中的作用，有著根本性的區別，這就是為什麼時間代表了一種尋求量子引力理論（也即嘗試將廣義相對論和量子力學統一起來）的絆腳石。而且，沒有實驗證據能證明過去、現在和未來都是同等真實的。實際上，就連能區分永恆論現在論的明確實驗性預測都寥寥無幾。最明顯的檢驗是時間旅行：畢竟，任何關於時間旅行的討論都有著隱含的假設——我們生活在塊體宇宙中。狹義和廣義相對論的方程式允許時間旅行，但只有在非常奇特（哪怕還算不上完全不可能）的條件下。例如，在狹義相對論下，時間旅行需要快過光速的通信；在廣義相對論下，需要靠負能量穩定的蟲洞。因此，就目前而言，就算物理定律似乎與永恆論最為相符，我們也沒有直接的實驗證據來支持永恆論，更無從加以證明了。
所以，問題變成了這樣：是物理定律（或我們對這些定律的闡釋）需要調整適應，以解釋我們對時間流逝的意識體驗；還是神經科學需要找到方法，通過解釋消除我們對時間流逝的主觀體驗？布萊恩·葛林極富表現力地捕捉到了這一困境：
時間的基本特質，人類意識理解它就像肺部吸入空氣那麼容易，科學是否無法把握它呢？還是說，人類意識給時間添加了一重特質，這種特質是人為的，故此無法在物理定理中表現出來？如果你在我的工作時間問我這個問題，我會支持後一種觀點，但到了夜幕降臨，批判性思維遁入了普通的生活習慣，我也很難完全抵擋前一種觀點。
時間的流動到底是意識創造出來的虛構，還是一種躲開了當前物理定律的東西？這個獨特的複雜問題，位於物理學和神經科學的交界處。如果說，光是這個謎還不具備足夠的挑戰性，不妨在想想它蘊含的另一重深意：物理定律和人類大腦並非完全彼此獨立。不光人類大腦的內部運作必須遵守物理定律，而是，我們對物理定律的闡釋，是經過人類大腦的結構所過濾的。如果說，對時間流動這樣看起來不言自明的東西，大腦所做的闡釋都不見得叫人信得過，那麼，是不是也該懷疑，大腦對當前物理定律的闡釋真的不偏不倚呢？我們馬上要看到，人類在演化中獲得理解時間概念的能力，似乎是藉助了專門用來理解空間的大腦迴路——換句話說，大腦本身似乎就在將時間空間化。這就帶來了一個讓人心醉神迷的問題：我們會不會因為大腦再現、思考時間的方式，傾向於對當前物理定律做特定的闡釋？
《大腦是臺時光機》導言
讓我們假設所有音樂播放器和流媒體的引擎都出一個毛病：每首曲子的時間線都坍塌了，每個音符和每句歌詞都擁擠在一個節拍裡播放完畢。你還有可能享受音樂嗎？音樂是一種基於線性時間的藝術，剝離時間，它的編排會立刻失去意義。
回想你看電影是否有倍速的習慣。影像裡人物角色都陡然加速到1.5倍，上下嘴唇快速翁動，全然不是自然的人類狀態。即便她們吐出連環炮一般的吐出臺詞，字與字連成一片，你依然能輕易聽懂。這是由於我們的大腦很擅長把大塊的句子分塊切片，我們捕捉細微的斷句，以準確理解整句話。如果你嘗試過2倍速，會發現雖然略微費點勁，但你仍舊可以適應。3倍往上呢？大部分視頻網站不再支持了。
理解說話和欣賞音樂有一個共同點：兩項任務都需要一個人腦能充分體驗的時間線。一個運行良好的神經系統能保證人在秒的尺度上分出時間間隔，學會在正確之處給粘連的信息下刀。
人得以理解和運用時間的重要性還在於記憶。
你或許聽說過一類失憶症，患者記得患病以前的日子，但不能再形成新一天的記憶。順行性遺忘症患者亨利·莫萊森（Henry Molaison, 下文稱H·M）在一次顳葉切除手術後永遠活在了1953年：他無法記住新的總統是誰，不記得幾十年來與他天天見面的醫生，也不能在鏡子裡認出五十年來老去的自己。他的記憶保質期是20秒鐘，如此短的記憶時間在腦科學史上也是孤例。換句話說，他失去了感受分鐘的能力。
那麼世上是否有種患者，連秒級的時間也無法感受呢？我們尚未有這樣的患者記錄在案。即使是H·M 也能區分秒的間隔，能進行基本的對話。而這點區分時間的能力甚至能讓他做更複雜但不自知的任務學習。實驗人員曾讓 H·M 每天練習一個小任務，要求他看著鏡像，在紙上描摹一個指定的五角星圖案。實驗人員每天都重複一遍任務要求。無法儲存記憶的 H·M 每天都欣然接受這個嶄新的任務，而從未記得做過這樣的練習。但隨著實驗進行，H·M 竟愈發進步，任務完成時間愈發短——他健忘的大腦裡某處仍然能儲存這項任務的工作記憶（working memory），而他絲毫不自知。
我們如此需要理解時間的能力，卻很少思考我們是如何感知、記錄時間的。神經科學家好奇的正是這一點：究竟是大腦裡哪一塊區域在忠實地編碼時間？感受時間和感受空間是一回事嗎？作者在全書中用到多個比喻來幫你想像這群記錄時間的神經元：池塘上的漣漪，夜晚亮著燈的摩天大樓，廚房裡煮糖心蛋的計時器……這一策略也正對應了人理解抽象概念最喜歡的方式：打比方。而在把握時間的概念時，空間正是最佳比方。書中「神經科學中的時間空間化「一章用例子讓人心服口服，讀起來你會頻頻驚奇，平常嘴邊用來描述時間的話如此忠實地反映你腦海中對時間的想像。
大腦能做的遠不僅僅是記錄時間。大腦是一臺時光機，它不僅允許你穿梭到過去，還讓你「改變」它；你也可以旅行到尚未確定的多個可能的平行宇宙，為自己的未來做打算。科學家稱「精神時間旅行」（mental time travel）。寫下每一條 To Do 都涉及至少一次精神時間旅行：上一次我決定讀完一本書是什麼時候？（訴諸過去的經驗。）今天下午希望我能趕在死線之前完成工作吧，也許不會？（思考未來事情發展的多種可能。）要是過了死線，我只好祈求寬限幾天了。（就未發生的可能做準備。）你不僅能分辨過去和當下，推測未來，還有能力思考反事實的過去——我要是早點起床就不會錯過這班車了。這種反事實的思考能力（counter-factual thinking）讓人這種生物即使在水深火熱中也求得生存，而反事實的思考能力正依賴於我們大腦里舖陳好的時間線。記錄和利用大腦中的時間線是日常決策的基礎，也是人類文明的基石。
當然，時間可不僅僅是神經科學家試圖理解的概念。有物理學家把時間看作量度物理變化的尺子，相對論則主張時間的對稱性。有歷史學家比較和探究各地區的曆法和編年。哲學家對時間的本體感到頭疼，試圖反思時間與存在的複雜關係。社會學家對工業時代後的人們把時間看作勞動單位和商品尤其感興趣。他們在各自的學科範疇得出的結論往往互不相容，甚至曾經引發了大論戰——愛因斯坦發表相對論後，他同哲學家柏格森的世紀之辯至兩人離世也沒有落定紛爭。在」這見鬼的東西是什麼「一章裡，作者很不吝嗇地花篇幅向你展示了時間的多個側面——在時鐘之外，主觀感受之外，時間在更深層意義上究竟是什麼。
今天，事物的生長、變化、衰敗的速度都令人膛目。我們拉扯攤平剩餘時間——通勤，家務，蹲廁，等車——一分鐘掰成好幾分鐘用。工業時代後，時間通過時鐘、上班時間表、學年曆獲得某種實體——它是早晨起床到早班中間的一小時，是會議進行的大半個下午，是番茄鍾為高效工作定製的25分鐘。我們主動、被動地都不得不學習時間管理，似乎散亂的時間是桌面沒收拾好的物件，能一塊塊分類裝進抽屜。
時間不僅僅是需要被整理的物件，還需要被主人牢牢抓緊，以防一不留神被彈出通知、令人狂看的節目和遊戲這些「竊賊」給「偷」走。哪怕是睡著了，時間的存在感也如此強烈：我們花費整個早晨，從躺在被窩裡看熱門消息，盯著聊天框刷牙，到單手吃早餐以刷新郵件和推送——昨夜今晨又發生了什麼？財經類雜誌專門開闢這樣的欄目，為人們解釋在他們閉上眼睛的時間裡都有什麼新鮮事，緩解「一覺醒來錯過整個世界」的焦慮感。
我們已經熟悉和數字共處，即便是時間這樣看似抽象的概念，也不免成為具體的計量和價值單位。把時間當作它本身去感受的身體體驗少之又少。等等，我在這裡擺弄的詞彙「時間」二字其實是一個計量單位。而構成時間流逝這樣生命體驗的不是抽象的概念，而是穩健的腳步聲由近而遠，溼潤的風從左半邊臉頰滑到右手指尖，是閱讀這段話之間你的兩次眨眼，是長出的鬍子，逐漸泛青的磕碰出的傷口。一些神經科學家認為，與其說時間在變，不如說是總有持續變化中的運動。
原則上，任何能以可複製方式重複的物理現象，都能用於判斷時間——這也是愛因斯坦和他的同事英費爾德的觀點。如果一盆多肉需要三五天發芽——說的好像它的生長有一條標記出時間戳、能來回拖拽的進度條——那麼一旦掌握多肉如何生長的物理現象，我們就能用它反過來判斷時間。大腦記錄時間使用的就是類似的機制。神經元們能響應外界物理現象，用放電頻率的不同來編碼整個系統的動態變化，從而幫你判斷時間。這種判斷時間的能力很神奇地普遍存在於各個腦區的神經元，甚至還有肝細胞。因此，體驗時間更像是連手帶頭整個泡浸浴缸的過程。有意識或無意識的，均勻或不均勻地，你的身體各處都在體驗時間。換句早就不流行的話說，宇宙是由故事組成的。這裡的故事很大一部分就是體驗。
但就如前文說過，這些能判斷和存儲時間體驗的神經元與細胞，又稱時間細胞，它們能做的事情遠遠不止判斷時間。時間細胞組成了一臺在你體內運轉的全棧時光機，不僅能把時間同你所在的空間關聯，也能帶你回憶，讓你思考未來。作者博南諾寫就的這本《大腦是臺時光機》可不是一本時光機說明手冊——雖然這聽起來足夠有趣了——但更是一趟路線新奇有趣的時光機體驗。而作者正是那類熱情又博學的解說人，這些有關過去與未來、物理學、文化、神經科學的故事他都娓娓道來。途中你也一定會不時停下來琢磨一個有意思的科學發現或者論點，回想或推測你的個人體驗，完成這趟精神的時間旅行。
導言作者：漢那
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