探索時間之謎：宇宙最奇妙的維度

名人推薦：學界重量級人士震撼推薦：

吳建宏（中央研究院物理研究所研究員）
李遠哲（中央研究院院士）
侯維恕（台灣大學物理學系教授）
高涌泉（台灣大學物理學系教授）

「本書從廣泛的角度、認知與思維來探討時間。作者的身世也許不如《時間簡史》的霍金那般迷人，但這一本書，你絕對看得懂，且一定能激發你進一步的思考。藉這一本書好好面對你僅有的一生『時間』吧！」——侯維恕，台灣大學物理學系教授

「佛克的文字抓得住讀者的心，這本新書我一開始讀就愛不釋手。書中內容涵蓋許多有趣的主題，從史前時代橫跨到遙遠的未...

第五章　記憶的持久度
跨越時間的橋樑

記憶的缺點也是其優點，記憶構成跨越時間的橋樑，讓我們的心智和實際的世界聯結在一起。
沙克特

想得愈多，忘得愈快……
波赫士

頭顱裡那塊一公斤多的柔軟灰色物質怎麼能察覺到時間流動？三百多年前，和牛頓同時的英國科學家虎克就反覆思索過這個問題：

我想問我們是用哪一種官能察覺到時間，因為來自五官的資訊都只留存在一瞬間—僅在物體於我們心中留下印象時的那段短暫時間內。我們仍缺乏能夠領會時間的感官；只有概念，但集合我們所有的官能，依然不能達成這個目的。

雖然已經有無數的人根據知識和經驗進行猜測，尤其在過去幾十年來，有許多人透過科學方法狂熱地探索，虎克的問題到現在仍沒有簡單的解答。
　　
生物學家早就知道人體會回應自然環境的節奏（的確，植物和其他動物也會），近來發展迅速的「時間生物學」開始研究人體在健康和生病時對這些節奏的反應。大家最常聽到的就是每天起落的節奏：心跳、新陳代謝、消化和很多其他的功能，看起來都配合日夜的自然循環。這些是所謂的晝夜節律，原文來自拉丁文，直譯則是「近」（circa）和「日」（diem）兩個字的組合。還有其他無數的循環周期，有的更長，有的更短。
　　
還有大腦，這個在人體內提供知覺經驗的器官。我們知道大腦包含一千億個神經細胞（也稱神經元），很巧的是，在典型的星系中，大約也有一千億顆星星。我們也知道，每個神經元和其他神經元之間大約會建立一萬個突觸連結。這些連結就是大腦所有功能的源頭。和其他人一起發現DNA結構的科學家克里克稱之為「令人驚訝的假設」：大量的神經元活動讓我們能夠感覺到自我、察覺到周圍的世界、具備意識。因此可以推測，能夠感覺到時間流逝的能力應該也來自同樣的地方。
　　
心理學家和神經科學家一直都想找出大腦中是否有像「內建時鐘」的東西，也就是某種幫助大腦記錄時間的機制。但現在他們卻開始懷疑大腦內並無特殊的結構能夠發揮時計的作用。我們對時間的意識似乎分布到很多不同的大腦區域中，每一個區域都有各自記錄時間距離和順序的方法。在加州大學洛杉磯分校腦部研究中心工作的波諾馬諾說：「很多複雜的人類行為，例如了解語言、練習接球和演奏音樂，都要仰賴大腦能夠正確報時的能力。但沒有人知道大腦是怎麼做到的。」另外兩位傑出的心理學家薩登朵夫和柯貝利斯也有同樣的審慎評估：「我們仍不清楚內建時鐘、順序代碼或其他過程如何讓成年人建立時間維度的概念。」等一下我馬上會再提到這兩位心理學家的研究成果。
　　
要研究腦內的時間，還會有個問題：這不僅是一門相對來說很新的學問，其研究內容更橫跨許多學科，很多專精領域之間的界限因此變得更不明顯。這些學科包括電生理學（研究細胞和活組織與電流有關的特質）和心理物理學（研究物理刺激以及人類接受刺激後的主觀體驗之間的關係）；腦部造影和運算模型方面的技術也很重要。神經生物學家伊葛門說過，這些新領域逐漸「描繪出腦部如何處理、學習和感知時間的方式」。
　　
一些包羅萬象的問題激發了最新的研究：隨著時間的推移，我們的大腦如何編碼／解碼流入的資訊？來自不同腦部區域的信號如何在短短的時間內彼此協調？我們對時間長度的感知如何反映外在的世界？有哪些因素會影響我們對時間的判斷？伊葛門說：「雖然對行為和感知來說非常重要，但時間感知用到的神經基礎依然籠罩在神祕中。」

　　
雖然我們才漸漸開始了解大腦如何詮釋時間，但大腦有種顯而易見且作用範圍相當廣泛的功能——記憶，似乎便以時間為中心。事實上，虎克更進一步作出結論，記憶就是我們感知時間的「器官」：

考慮到這一點，我認為我們有必要假設，有另一個器官能夠理解時間留下的印象。就我的猜想，除了我們一般稱為記憶的器官外，別無他物……我假設記憶就像耳朵、眼睛或鼻子，也是一種器官，位置很靠近其他感官的神經起共同作用和匯集的地方。

現代的神經科學家一般不會把記憶稱為器官，而比較常稱為過程，或很多過程的組合。但是，他們的研究結果開始顯露腦部的記憶系統有多複雜，有多麼多元化。跟記憶相關的科學是一門龐大的學問，不可能用書中一章的篇幅講完。我不想摘要說明研究人員從記憶運作中學到了什麼，但會把重心單單放在某些腦部功能上，以便清楚說明記憶和時間的關聯。

回憶過去，想像未來

你能在腦海中描繪小時候住的地方嗎？閉上眼睛，是否能想像自己穿過舊居的客廳走向廚房？小時候發生的事情呢，例如玩最心愛的玩具或慶祝生日？就算你的記憶力普通，要喚起這種回憶，很有可能也沒什麼困難，或許還能編織出不少細節。心理學家稱之為「情節記憶」，這個說法是加拿大的神經科學家圖威於一九七○年代早期發明的。那你能換個方向看穿時間嗎？是否能夠想像未來你要參加的活動？比方說明天去雜貨店，明年冬天去溫暖的地方度假？
　　
結果證明我們能夠穿越時間投射心裡的想法，在腦海中叫出和過去有關的影像，或我們想像未來會發生的事情（小說家常操弄這個想法：例如吳爾芙的《戴洛維夫人》，雖然故事情節只延續了一天，但在主角的心裡卻發展成好幾十年）。人類的這種投射能力其實很強，我們可以在腦海中回溯很久以前的事；你可以想像在出生前發生過的事（不過這有點難度），還有等你死後很久才會發生的事。
　　
心理學家和認知科學家把這種卓越的能力稱為心智的時光旅行。很粗略地說，就是結合情節記憶和預料未來事件的能力。沒有這種能力，人類就不能規畫和發展，也不會有文化；失去了想像出來的未來藍圖後，文明也跟著消失。人類毫無疑問擁有優秀的心智時光旅行能力，但我們還希望能更深入了解。其他的動物也有這種能力嗎？如果沒有，在人類的演化過程中，這種能力在什麼時候出現？有原因嗎？出現在我們成長過程的那一點呢？我們從何得知想像時間流逝的方法以及時間的本質？

現年八十多歲的圖威已經從多倫多大學退休，但仍在多倫多北邊的羅特曼研究院積極進行研究方案。他的主題就是記憶，但他仍努力提出深刻的問題，探索實境的本質。年輕時的圖威對「更加哲學」的東西有興趣，因此「會思考時間是什麼、從何時開始、時間存在前的世界是什麼樣子」。
　　
圖威覺得大家對記憶和時間有很多誤解，最普遍的是兩者之間的關聯在人類心目中有多強。我們會一直感覺到時間的明顯流動，而我們可以說，記憶就是人類用來感受時間流動的媒介。但圖威幾十年的研究結果卻推翻了這種想法。他說：「人類內在的記憶類型大多和時間無關，在動物身上也一樣。」記憶的很多面向只重此時此刻，例如學習新技能，或回憶起某件事。但情節記憶則是一個值得注意的例外，圖威相信情節記憶為人類獨有，讓我們能夠利用想像力重臨自己選擇的事件，回顧過去的時光。
　　
心理學家開始調查情節記憶和心智時光旅行能力之間的關聯也不過是最近幾十年的事，他們也想推測人類怎麼會擁有這麼精密的能力。圖威研究情節記憶將近五十年，是最早使用「心智時光旅行」這個說法的先軀。他特別強調，負責記憶的人（他口中的「記憶者」）會覺得某段情節記憶是真實事件：感覺就像過去某個事件或個人的獨特經歷精確地（或至少看起來非常有道理）重演一遍。他在著作《情節記憶的元素》（一九八三年出版）中提到：「對記憶者來說，想起某件事，就是心智進行時光旅行，重新體驗過去已經發生的事。」
　　
我們前面曾提到兩位來自南半球的心理學家，他們在心智時光旅行上的最新研究成果非常值得探討：澳洲昆士蘭大學的薩登朵夫和紐西蘭奧克蘭大學的柯貝利斯。薩登朵夫和柯貝利斯的主張很有說服力，他們認為心智時光旅行的能力讓人類祖先在求生存的過程中得到非常寶貴的優勢。他們相信回憶過去和想像未來之間的聯繫非常深奧。這兩位學者說，記憶的行為提供「素材」來塑造未來可能發生的情景，以便採取適當的行動。心智時光旅行「提供更高的行為靈活度，使當下的行動能夠提高未來生存的機會」。如果他們的論點沒錯，那麼回想過去的心智時光旅行「附屬於我們想像未來情景的能力」。圖威同意這種說法：「知道過去發生的事有什麼好處？為什麼要在意？重點在於，你學到了一些東西。或許演化的優勢在於未來，而不是過去。」
　　
現代的神經科學似乎證明了這種推論：只要跟大腦有關，記憶的行為就很像想像未來的行為。乍看之下或許會覺得這種說法很奇怪；卡洛爾的著作《鏡中奇緣》中的紅皇后只記得未來，不記得過去，讀者都覺得很荒謬，正因為我們一向認為「記憶」和「過去」理所當然就該連在一起，和未來似乎沒什麼關係。雖然我們不「記得」未來，卻會在心中描繪，我們描繪的方法就跟描繪過去事件的做法非常相似。腦部造影的研究結果指出，不論是回憶過去還是想像未來，在腦部額葉和顳葉中用到的區域都非常類似。
　　
任職哈佛的心理學家沙克特最近在《自然評論：神經科學》期刊上發表的文章中提到：「我們可以把大腦當成基本上有預測能力的器官，預定要用來自過去和現在的資訊去預測未來。記憶可以說是一種工具，具備預測能力的大腦就用這工具模擬出未來可能發生的事件。」
　　
最近和沙克特碰面時，他向我解釋，這種詮釋記憶功能的方式仍算相當新穎，或許能幫助我們了解大腦記憶之所以演化出來的理由。他說：「我們總以為記憶一定和過去有關。人類的記憶很有可能就是要讓我們在緬懷過去時有種溫暖的感覺，諸如此類的說法。但我認為這種說法就忽略了記憶讓我們能夠預測和模擬未來的作用。」
　　
想像未來的時候，我們要做好幾件事。我們必須用到大腦記憶系統所謂的「語意記憶」那一塊，主要是我們對一切事實的常識，為想像的情景建立架構（除非你記得巴黎在法國，不然很難想像去法國旅行時要到巴黎參觀）。然而，我們也必須用到情節記憶，這可能更重要：想像的假期會利用真實假期的記憶，你會想起真實的飯店餐廳等地方。這種記憶通常不夠完美（等一下我們就會討論到），但那可能只是因為這些記憶的主要目的並非提供精確的回憶。薩登朵夫和柯貝利斯認為，情節記憶「可能來自更籠統的工具箱，讓我們能夠逃離現在和培養遠見，或許也能幫我們建立認同個人身分的感覺」。他們主張，我們傳統認定記憶的主要作用（在腦海中喚起過去）事實上可能「只是構造上的特質，讓我們能夠設想未來」。
　　
其他人的觀察結果也支持這個想法。心理學家發現想像很久以後才會發生的事件比較難，想像不久之後就會發生的事件比較簡單，同理可證，要記起不久之前的事情比較簡單，要回憶很久之前的事就難了。我們似乎同時在兩個「方向」上迷路：隨著年齡增長，使用情節記憶的能力開始衰退，展望未來的能力也愈來愈差。
　　
更值得注意的是，得了失憶症、想不起過去的病患在想像未來時也碰到同樣的挫折。心理學上有一個很悲慘的案例，圖威和其他的心理學家花了很多年的時間深入研究多倫多一名叫做K.C.的男性。K.C.年輕時碰到一場摩托車交通事故。他的頭部受傷，嚴重損壞腦部，從此完全失去情節記憶。
　　
K.C.行為大致上看起來完全正常。他會玩西洋棋和彈鋼琴，在車禍發生前他就學會了，這些技能利用第三種記憶系統，叫做「程序記憶」。他在家附近散步時不會迷路。他的語意記憶和使用語言的能力都沒有受到影響。但他的自傳式記憶（知道自己是誰）消失了。他不記得過去和個人有關的事件。說不出來昨天做了什麼，也說不出來明天可能會做什麼。想要回答這些問題時，他的心智很單純地「變成一片空白」。某位心理學家說，K.C.「完全紮根在當下，認知能力無法回到過去，也不能向前移動」。當然，他根本察覺不到自己的處境，這才是最諷刺的地方。沙克特說「當你受困在當下，就真的變成一具空殼、一塊碎片，」在這樣的處境中，「對個人的自我感覺有強烈的影響」。但在五級分制中，K.C.覺得他的快樂程度是四。
　　
聖地牙哥有一個叫做E.P.的人，症狀幾乎一模一樣。十五年前的一場感染幾乎毀掉了他的腦部顳葉。他忘了自己的過去，無法形成新的記憶。有一期「國家地理」雜誌以E.P.為封面故事的主角，作家佛爾的描述非常動人：「沒有記憶的E.P.完全沒有時間觀念。他失去了連續的意識，發生過的事就像立即蒸發的水滴……被困在永恆的現在中，回想不起過去，盤算不了未來，他的生活定住了……他陷入終極的存在夢魘，完全看不見自己所在的實境。」不過他女兒說E.P.「一向都很快樂。非常快樂。我想這是因為他的生活完全沒有壓力」。
　　
我們都很看重自己的記憶，但或許某種程度的遺忘也一樣有價值。

第五章　記憶的持久度
跨越時間的橋樑

記憶的缺點也是其優點，記憶構成跨越時間的橋樑，讓我們的心智和實際的世界聯結在一起。
沙克特

想得愈多，忘得愈快……
波赫士

頭顱裡那塊一公斤多的柔軟灰色物質怎麼能察覺到時間流動？三百多年前，和牛頓同時的英國科學家虎克就反覆思索過這個問題：

我想問我們是用哪一種官能察覺到時間，因為來自五官的資訊都只留存在一瞬間—僅在物體於我們心中留下印象時的那段短暫時間內。我們仍缺乏能夠領會時間的感官；只有概念，但集合我們所有的官能，依然不能達成這個目的。

雖然已經...

■推薦序
漫長的時間，曲折的故事*
徐遐生

《探索時間之謎》如同一本漫談時間的百科全書。不管是過去還是現在，時間這個主題吸引了諸多作家，未來肯定也會繼續散發魅力。本書呼應了關於時間的當代經典之作——圖爾敏和菲爾德的《發現時間》，以及霍金的《時間簡史》；前者是地質學家發現地球古老年歲的動人故事，後者則是牛頓及愛因斯坦引力理論的卓越傳人，所提出的宇宙論觀點。但佛克探討的層面則比二者更為多元。時間不僅是科學（牛頓及愛因斯坦對時空和萬有引力的看法），也是歷史（不同文化如何測量時間）；時間還包含科技（計時工具如何演變成今日的形式）、文化（歐洲、亞洲某些地區和美洲，對過去、現在、未來的想像）、軼事趣聞（歷經九一一事件多年後，小布希的「錯誤」記憶）、宇宙觀（遙遠但有限的過去，以及無限卻淒涼的未來**）、哲學（時間是不是人類頭腦製造的假象？）以及前衛物理學（時間是突然出現的實體嗎？它是基本而簡單的，還是非常複雜的？）。時間甚至一腳踏入科幻領域（如時空旅行）。
　　
由於包含的層面如此廣泛，佛克選用的故事難免有過於主觀之虞。每個迷人或令人震撼的段落，會因為讀者自己的品味及文化背景而異。由於自身文化背景之故，佛克只在註腳中提及中國人發現陰曆與陽曆十九年重合的故事（中國人比巴比倫人早發現此現象），而沒有寫入本文，讓我感到有點失望。此外，佛克僅直接陳述此一事實，卻沒有提到古人是從月蝕與日蝕每十九年循環一次的現象推得此理（亦即發現日月相對於地球的位置，大約每十九年會重複一次），也有點可惜。佛克在同一章裡提到太陽年的長度為三六五．二四二二天時，我也希望他能說明希帕霍斯、郭守敬及布拉赫等偉大天文學家，如何確定這些數據；並且說明現今的格里曆中每四年一閏、每四百年去掉多加的天數，以便約略矯正多出來的○．二四二二天。
　　
不過對一本如此宏觀的書來說，我只是在挑小毛病。作者要說的是一個漫長曲折的故事，總體來說，他的敘述既有活力又不失格調。因此，對於愛思考的讀者來說，我樂意推薦這本值得加入收藏的新書。你一定也好奇為什麼時間可以被「發現」、「探索」，甚至還擁有自己的「歷史」。想要得到答案的話，請讀這本書！（當然也不要錯過圖爾敏、菲爾德和霍金的著作）你也許會感到困惑，但你也會學到許多先前不知道的知識——除非你是認為「過去」沒有什麼客觀意義的那種人。

*本文由英文撰寫，經徐遐生院士同意譯為中文。
**關於這點，可參考亞當斯及勞夫林合著的《宇宙的五個階段》。


徐遐生　美國國家科學院院士、中央研究院院士與美國國家藝術與科學院院士。曾任美國天文學會會長，美國加州大學柏克萊分校、聖地牙哥分校教授，國立清華大學校長。現為中央研究院天文及天文物理研究所特聘研究員。

■推薦序
漫長的時間，曲折的故事*
徐遐生

《探索時間之謎》如同一本漫談時間的百科全書。不管是過去還是現在，時間這個主題吸引了諸多作家，未來肯定也會繼續散發魅力。本書呼應了關於時間的當代經典之作——圖爾敏和菲爾德的《發現時間》，以及霍金的《時間簡史》；前者是地質學家發現地球古老年歲的動人故事，後者則是牛頓及愛因斯坦引力理論的卓越傳人，所提出的宇宙論觀點。但佛克探討的層面則比二者更為多元。時間不僅是科學（牛頓及愛因斯坦對時空和萬有引力的看法），也是歷史（不同文化如何測量時間）；時間還包含科技（計時...

推薦序
序

引言
第一章　　天上的時計：時間的自然循環
第二章　　日日，月月，年年：追尋完美曆法
第三章　　時時，分分，秒秒：切割一天
第四章　　在時間的控制中：時間與文化
第五章　　記憶的持久度：跨越時間的橋梁
第六章　　牛頓的時間：牛頓、萊布尼茲和時間之箭
第七章　　愛因斯坦的時間：太空時間、相對論和量子理論
第八章　　回到未來：時空旅行的科學
第九章　　發端：尋找時間的曙光
第十章　　大爆炸發生前：物理學的新領域和時間之箭的起源
第十一章　萬物必將消逝：生命、宇宙和萬物最終的命運
第十二章　虛幻和現實：物理學、哲學及時間的風景

推薦序
序

引言
第一章　　天上的時計：時間的自然循環
第二章　　日日，月月，年年：追尋完美曆法
第三章　　時時，分分，秒秒：切割一天
第四章　　在時間的控制中：時間與文化
第五章　　記憶的持久度：跨越時間的橋梁
第六章　　牛頓的時間：牛頓、萊布尼茲和時間之箭
第七章　　愛因斯坦的時間：太空時間、相對論和量子理論
第八章　　回到未來：時空旅行的科學
第九章　　發端：尋找時間的曙光
第十章　　大爆炸發生前：物理學的新領域和時間之箭的起源
第十一章　萬物必將消逝：生命、宇宙和萬物最終的命運
第十二...