本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
我一直知道我們人類對時間的概念掌握得相當薄弱，但直到幾周前，當我參加由基礎問題研究所（Foundational Questions Institute）組織的關於時間本質的會議時，我才意識到它有多麼薄弱。這次會議，甚至比 FQXi 之前的努力更像是一場不同學科的混搭：基礎物理學、哲學、神經科學、複雜性理論。正如物理學家兼博主薩賓·霍森費爾德所指出的，跨越學術學科可能被高估了，但它確實很有趣。就像薩賓一樣，我每天都在思考行星、暗物質、黑洞——它們對我來說已經變得平凡。但是大腦——現在那才是奇異的東西。因此，我全神貫注地聽神經科學家們講述我們的大腦如何感知過去、現在和未來。“感知”這個詞可能不夠有力：我們的大腦構建過去、現在和未來，有時會嚴重出錯。
華盛頓大學的神經科學家凱瑟琳·麥克德莫特首先引用了著名記憶研究員恩德爾·圖爾文的話，他將我們記住過去和預測未來的能力稱為“心理時間旅行”。你不會在一群物理學家面前輕易使用“時間旅行”這個短語，對他們來說，這個概念不是一個方便的隱喻，而是一個非常真實的可能性。但是，當你聽到我們的大腦如何在時間中滑行——以及我們的記憶如何不僅提供與過去的聯絡，還提供與未來的聯絡時——你就會理解圖爾文的觀點。
麥克德莫特概述了病人 K.C. 的案例，他的失憶症甚至比根據電影《記憶碎片》改編的更廣為人知的H.M.還要嚴重。K.C. 在 1981 年的一次摩托車事故中患上了逆行性失憶症和順行性失憶症。（文獻中沒有說他是否戴了頭盔，但請以此為鑑。）他記不起幾分鐘前發生的事情。他保留了事實和技能，但記不起自己做過任何事情或去過任何地方。
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具有啟發意義的是，他不僅記不起過去，也無法想象未來。當研究人員要求他想象自己可能會去的地方時，他說他看到的只是一片“巨大的空白”。麥克德莫特合作過的另一位病人可以抽象地解釋未來，但他說他無法想象自己在其中。
為了研究沒有腦損傷的人對過去和未來的感知，麥克德莫特對 21 名大學生進行了 fMRI 大腦掃描，要求他們回憶過去發生的具體事件，然後想象自己處於未來的特定場景中。主觀上，兩者感覺非常不同。然而，掃描結果顯示了相同的活動模式。大腦各處散佈的區域被點亮；我們的時間感知是分散的。作為對照，麥克德莫特還要求學生回憶涉及比爾·克林頓的事件（據推測，他們沒有親身參與），模式非常不同。在一項後續研究中，麥克德莫特要求 27 名學生預測在熟悉和不熟悉的地方發生的事件。熟悉事件的大腦掃描與回憶行為的大腦掃描相似；不熟悉事件的掃描則與眾不同。
最重要的是，記憶對於構建我們在未來的情景至關重要。軼事證據支援了這一點。我們向前投射和回憶過去的能力都在 5 歲左右發展，並且擅長記憶的人也表示對未來有生動的想法。
麥克德莫特的同事亨利·羅迪格研究元認知——思考思考本身。我們對自己的記憶表達不同程度的自信。我們如何做到這一點顯然是法院系統的一個問題。新澤西州最高法院最近收緊了對證人證詞的考慮標準，理由是存在誤報的風險。羅迪格指出，假陰性受到的關注較少，但也同樣糟糕。最糟糕的目擊者充滿了激情，而最好的目擊者卻缺乏所有信念。在這兩種情況下，無辜的人都可能被送上死囚牢房，而有罪的人則逍遙法外。
認知心理學家發現，自信有時與準確性相關，有時則不然。羅迪格給志願者做了一個記憶詞彙測試。他們必須學習一份單詞列表；之後，他們會被呈現一系列單詞，並且必須指出每個單詞是否在原始列表中。他們還必須說出他們對自己的答案有多自信。
每當我聽到這樣的測試時，我都會為壞訊息做好準備。但羅迪格說，人們實際上做得很好，他們的自信分數與他們回憶的準確性相符。他們的盲點是可以預測的。當呈現不在列表上但與列表上的單詞是同義詞時，他們在回憶準確性和自我評估方面都系統地搞砸了。研究結果與目擊者的情況相符。我們大致上是對的，但很容易被類似的情況和麵孔所迷惑。
這並不是說我們的記憶是計算機快閃記憶體的故障百出的溼件版本；而是計算機的比喻根本不適用。羅迪格說，我們只儲存發生的事情的片段——我們將其編織在一起，感覺像一個無縫敘述的印象。當我們檢索記憶時，我們也會重寫它，以便下次我們去回憶它時，我們檢索的不是原始記憶，而是我們上次回憶的記憶。因此，每次我們講故事時，我們都會潤色它，同時仍然真誠地相信我們記憶的真實性。
所以對你抓到 150 磅鯰魚的朋友放鬆一點。他不是有意識地撒謊，這就是為什麼他說話時充滿信念，但這仍然不意味著你應該相信他的故事。迷惑是人類的本性；接受我們迷惑，則是神聖的。
說到魚，正如西北大學的神經科學家馬爾科姆·麥基弗曾經對我說過的，電魚是神經科學的果蠅——研究我們如何感知世界的模式生物。麥基弗在 FQXi 會議上講述了他對一種亞馬遜電魚進行的令人震驚的全面、不遺餘力的研究，他使用了從超級計算機流體模擬到魚的工作模型（捕捉在這個影片中）甚至藝術裝置的所有方法。
這種魚產生一個大約每釐米 1 毫伏，頻率範圍為 50 到 2000 赫茲的電場。水蚤是它的獵物，會透過擾亂電場暴露自己。（你可以根據這個概念構建一個接近感測器。我用它來控制我書房的燈。）讓魚類學家感到興奮的是，當這條魚出去捕獵時，它不是筆直向前遊，而是以與其身體軸線成 30 度角的角度遊動——這是一種看似荒謬的行為，幾乎使水的阻力增加三倍。
但是，麥基弗證明了，這種方向也增加了電場感知的有效水體積。這條魚在機械效率和感覺效率之間取得了平衡。概括這一見解，他區分了生物體周圍的兩個不同體積：感覺體積（它可以掃描獵物的區域）和運動體積（它可以直接到達的區域）。對於這條魚和大多數其他水生動物來說，這兩個體積的大小相當——再往遠處看也沒有意義。魚的觸角不會超出它的掌握。
然而，對於陸地動物來說，情況則大相徑庭：它們的感覺體積比它們的運動體積大得多，因為光在空氣中傳播的距離比在海水中傳播的距離遠得多。因此，當我們的祖先從海里爬出來時，他們獲得了提前計劃自己行為的機會。他們不再侷限於對直接刺激做出反應，而是有時間在移動之前觀察場景並進行思考。能夠利用感覺體積和運動體積差異的動物獲得了進化優勢。
麥基弗推測，這為意識的進化奠定了基礎。畢竟，意識是什麼，但不是在環境中制定計劃並獲得一些優勢的能力，而不是在危機中跌跌撞撞？心理學家布魯斯·布里奇曼在 20 世紀 90 年代初提出了這種意識觀點。麥基弗在他的部落格 Science Not Fiction 今年早些時候的帖子中詳細闡述了這一點。
神經科學的有趣之處在於你可以自己做實驗。貝勒醫學院的大衛·伊格爾曼開始把我們當作他的測試物件。通過幾種視覺錯覺，他證明了我們都生活在過去：我們的意識落後於實際事件 80 毫秒。“當你認為事件發生時，它已經發生了，”伊格爾曼說。
在這些錯覺之一中，閃光滯後效應，當物體移動經過時，會出現一道光閃爍，但我們不會看到兩者是重合的；兩者之間似乎存在輕微的偏移。透過改變實驗的引數，伊格爾曼表明，發生這種情況是因為大腦試圖追溯性地重建事件，有時會出錯。他認為，原因是，我們的大腦試圖從一系列時間到達的刺激中建立一個關於世界連貫的圖景。如果你同時觸控你的腳趾和鼻子，你會同時感覺到它們，即使來自你鼻子的訊號首先到達你的大腦。你同時聽到和看到一個拍手的聲音，即使聽覺處理比視覺處理快。我們的大腦也會掩蓋資訊中的空白，例如眨眼。“你的意識會費盡周折地同步事物，”伊格爾曼說。但這意味著最慢的訊號決定了節奏。
隱藏感知過程中的後勤細節的代價是，我們總是慢一拍。大腦必須取得平衡。悉尼的認知心理學家Alex Holcombe有一些巧妙的演示，表明某些形式的運動感知需要一秒或更長的時間才能註冊，而我們的大腦顯然不能等待那麼久。我們對世界的看法是在我們觀看的過程中形成的。
80毫秒規則在我們身上玩弄各種感知上的把戲。只要拍手的人距離你不到30米，你就能聽到和看到拍手同時發生。但是超出這個距離，聲音到達的時間比光晚80毫秒以上，大腦不再將視覺和聽覺匹配起來。奇怪的是，這種轉變是突然的：拍手的人只要從你身邊走開一步，就會從同步變為不同步。同樣，只要電視或電影配樂在80毫秒內同步，你就不會注意到任何延遲，但是如果延遲時間再長一點，兩者就會突然且令人惱火地變得脫節。發生速度快於80毫秒的事件會躲過意識的雷達。擊球手在意識到投手甚至已經投球之前就已經揮棒了。
意識的凝聚力對於我們對因果關係的判斷至關重要，因此對於我們的自我意識也至關重要。在一個特別隱蔽的實驗中，Eagleman和他的團隊要求志願者按下按鈕使燈閃爍——有一個輕微的延遲。在按下大約10次後，人們逐漸適應了這個延遲，開始看到燈在他們按下按鈕後立即閃爍。然後實驗人員縮短了延遲時間，人們報告說燈在他們按下按鈕之前就閃爍了。
Eagleman推測，這種因果倒置可以解釋精神分裂症。我們所有人都有一個內在的獨白，我們安全地將其歸因於自己；如果我們沒有，我們可能會認為它是一個外部的聲音。因此，Eagleman開始對被診斷患有精神分裂症的人進行同樣的按鈕閃爍實驗。他報告說，改變延遲時間並沒有導致他們改變對因果關係的評估。“他們只是不調整，”Eagleman說。“他們看不到幻覺。他們在時間上不靈活。”他冒險說：“也許精神分裂症從根本上來說是一種時間感知障礙。”如果是這樣，它就提出了新的療法，可以哄騙精神分裂症患者的大腦重新校準他們的時間感。
在Eagleman最出名的實驗中，他試圖找出為什麼當我們感到恐懼時，時間過得更慢。大腦中真的發生了什麼嗎——例如，感知的時間解析度加快了——還是我們只是事後才這麼認為？在集思廣益了一些可能無法透過大學倫理委員會審查的恐嚇策略後，他決定讓志願者乘坐你在遊樂園裡找到的那些自由落體或魔鬼墜落遊樂設施。他們戴著一塊特殊的腕錶，其數字計數速度太快，人們在正常情況下無法識別——認為如果感知真的加快了，人們就能夠讀取這些數字。
唉，他們做不到。儘管他們一直報告說，遊樂設施所花費的時間大約比實際時間長三分之一，但這一定是記憶的把戲；他們的超敏銳度只是海市蜃樓。
我們的記憶變得扭曲，因為我們的大腦對新奇事物的反應比對重複事物的反應更強烈。Eagleman透過要求志願者估計光閃爍的持續時間來研究這種效應；那些在一系列中首次出現或打破既定模式的閃爍似乎持續的時間更長。意識的這一特徵，就像80毫秒規則一樣，解釋了我們日常經歷的很多事情。當我們參加一個無聊的活動時，它似乎永遠不會結束。但是當我們回顧它時，它卻一閃而過。相反，當你在做一些令人興奮的事情時，時間似乎飛逝，但是當你回顧它時，它卻會延伸。在第一種情況下，沒有什麼可回憶的，所以你的大腦縮短了持續時間的感覺。在第二種情況下，有很多可回憶的，所以事件似乎擴大了。當你玩得開心時，時間過得很快，但是當你平靜地回憶時，時間卻在慢慢流逝。
我懷疑，我們對時間的感知中這種反向關係也解釋了隨著年齡增長，我們的經歷如何變化。當你還是個孩子時，你會醒來說：“我還有一整天的時間。我怎麼可能把它全部填滿呢？”但是當你成年時，它更像是：“我有一天的時間。我怎麼可能把所有事情都做完呢？”而且不要讓我開始討論人們如何發誓說他們孩子生命的第一年過得太快了。（第二個孩子通常足以消除他們的幻想。）
你可能從我對Eagleman談話的冗長描述中看出，當時它似乎飛快地過去了。在場的物理學家認為這是會議的亮點之一。它不僅本身引人入勝，而且對他們也有一些專業的興趣。所有的物理學理論都從感覺資料開始。正如Eagleman所說，“我們把我們的物理學建立在我們的直覺之上。”
我們也將我們的物理學建立在對感知限制的認識之上。諸如相對論之類的理論的全部意義在於將世界的客觀特徵與我們視角的偽像分開。過去二十年中關於時間和物理學和哲學方面最重要的書籍之一，Huw Price的《時間之箭與阿基米德點》認為，因果關係的概念源於我們作為世界中的代理人的經驗，可能不是現實的根本特徵。
時間在物理學中扮演著多種角色，從定義因果序列到為宇宙的展開提供方向。這些角色中有多少植根於我們大腦感知時間的偶然方式？一個以截然不同的方式感知時間的外星生物會如何構建物理學？
大腦影像由聖路易斯華盛頓大學提供。魚影像由Malcolm MacIver實驗室提供。