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你对“时间”真正了解多少(二)

文章发布时间:2015/5/26 16:18:32 来源:



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科学家新设计的原子核钟可能会更准确

  生物钟:身体内在的节拍器

  英国芒克西顿中学在过去几年取得了一些令人惊异的进步。缺课人数直线下降,准时上课的学生越来越多,而且,学生的考试成绩也突飞猛涨。校长保罗·凯利表示,这些成绩的取得并非由于教学质量的提高或纪律更加严明,唯一的原因在于他将上课时间由早上9点调整到了早上10点。

  做出这一改变的初衷是为了让上课时间与学生们的身体生物钟更好地保持一致。十几岁的青少年都有点像猫头鹰,喜欢很晚睡觉,而且,一般快到午饭时间才会睡醒。这并非全是他们自己的过错:睡觉荷尔蒙褪黑激素分泌的自然延迟会导致他们的生物钟向后推移几个小时。芒克西顿中学通过将上课时间调整得与学生的身体节奏保持一致,避免了在孩子们的大脑还处于半梦半醒之时让他们上课。

  在现代社会,我们的生活在很大程度上由时间支配。但是,即使没有闹钟、日历或日程安排表,我们的身体仍然会遵循名为昼夜节律的内在计时器的律动。每隔24小时,我们的身体和精神就会经历一次变化,科学家们认为,这一循环有助于我们的大脑和身体做好准备,以更好地迎接一天内可能会遇到的挑战。

  最明显的是睡觉—清醒循环,但并不止于此。昼夜节律影响了每件事情,从我们如何完成身体和精神任务到药物什么时候最可能发挥效果等无一幸免。英国剑桥大学研究昼夜节律的专家拉塞尔·福斯特表示:“在正午和午夜,我们是不一样的生物。”

  昼夜节律主要的助推力是大脑内一个名为视交叉上核(SCN)的微小组织,该组织刚好位于视觉神经之上。大脑内的这个主时钟从视网膜那儿收集与光有关的信息,并通过神经脉冲和荷尔蒙将信息传递到身体的其他部分。

  这些荷尔蒙包括睡觉荷尔蒙褪黑激素以及与其数量相反的促食素。视交叉上核也将其节律强加给免疫功能、消化、细胞分裂、体温等。视交叉上核自己的活动模式每天都被光重新设置,这也会影响一些生物钟基因的表达,这些生物钟基因的活动也是24小时循环一次。

  但是,视交叉上核并非唯一的生物计时器。身体的很多细胞都包含有自己的生物钟,在一天之内,其活动有波峰波谷。例如,引起炎症的名为主细胞的免疫细胞在清晨更加活跃,这可能是为什么诸如哮喘等免疫功能失常在清晨会变得更麻烦的原因;皮肤细胞也有昼夜节律,晚上是皮肤的修复时期,而在白天皮肤产生的油更多;胃内释放饥饿荷尔蒙脑肠肽的细胞也似乎受到昼夜时钟的控制。

  这些身体各个细胞内的时钟与主时钟并不完全独立。科学家们认为,视交叉上核就像管弦乐队的指挥,它会发出一个整齐有序的信号,其他演奏家——细胞内的时钟都遵循这一信号行事。福斯特说:“如果你开枪打中了指挥,管弦乐队的其他成员仍然会继续演奏,但是,它们的演奏不会那么统一协调。”因此,由于受伤或疾病导致视交叉上核停止工作的人会失去其惯常的24小时循环一次的昼夜节律。

  不过,这一点并不令人吃惊,在一天之内,我们的身体和精神状态本身就在不断变化着。例如,体温在上午4:30时最低,在白天慢慢升高,在下午7点左右达到最高;肾上腺素水平在一天之内也会不断增加。

  这些变化可能会影响我们处理不同任务时的表现。英国利物浦约翰摩尔大学的吉姆·渥特豪斯表示:“有很多证据表明,人的行为(包括运动)的很多方面都存在着昼夜节律。”随着你的身体体温和肾上腺素水平在下午不断升高,你的运动情况会有所改善。与此同时,你清醒的时间越长,你越难完成做决策等复杂任务。

  不过,也并非每个人都遵循同样的模式。有些人习惯早起早睡,就像早起鸟一样;而夜猫子们则发现自己在白天完全不给力,越夜越有活力。这些特殊的作息模式在很大程度上由基因所决定,而我们大多数人介于二者之间。

  还有很少一部分人患有一种罕见的但是可以治愈的睡眠失调——家族性睡眠期综合征(FASPS),这些人早上很早就会醒来,到了傍晚就会去睡觉。我们现在知道,导致家族性睡眠期综合征的罪魁祸首是一个名为PER2的基因发生了变异,PER2基因是与设置视交叉上核有关的生物钟基因中的一个。

  瑞士苏黎世大学的斯蒂芬·布朗表示,通过在早上很早时让人们接触光线,可以将他们的生物钟向前轻推,然而,初步获得的证据表明,有些人的生物钟比其他人的生物钟更加不容易重新设置,这能解释为什么有些人对时差更加敏感,并且比别人更难适应轮班工作。

  年龄也可能导致生物钟发生深刻变化。年纪大一点的人一般睡眠更少并且早上更早醒来。最近,布朗的实验室在老年人的血液内发现了一个因子,其能将皮肤细胞的昼夜节律改变得与早起鸟的昼夜节律一样。

  这一发现表明,科学家们或许能够研制出一些药物,将夜猫子变成早起鸟或者将早起鸟变成夜猫子。布朗说:“这不仅对老年人非常有用,对那些需要轮班工作的人和具有睡眠障碍的人也非常有用。”

  走得最急的总是最美的时光吗?

  五秒钟是多长时间?让你的大脑先思考一下,然后用一块秒表检查一下结果。如果你发现结果非常相近,除了有点洋洋自得外,你会不会静下心来思考如下这个问题:大脑是如何创造这个奇迹的呢?

  这种感知能力是大脑最持久的神秘之一。尽管我们已经很清楚地知道身体的各个部位在什么时候最活跃,能力最强,而且精确到了毫秒,我们也非常清楚身体每隔24小时就要改变一下,但是,我们如何能有意识地感知分秒的流逝,也就是说感知所谓的定时间隔呢?这一直是个未解之谜。

  为什么这么说呢?首先,人体内没有专门用于感知时间的器官,就像我们可以通过皮肤接触感受触觉,通过鼻子感受嗅觉,通过舌头感受味觉一样,我们可以借助这些身体器官来感知周围的环境。其次,时间也与众不同,因为没有临床症状能够被纯粹地诊断为缺乏时间观念,这就使得人们很难对人类的时间感知进行研究。英国基尔大学的心理学教师约翰·威登说:“我们希望现实生活中存在着时间观念就和遗忘症患者的记忆一样差的人。但是,很遗憾,现实生活中没有这样的人。”

  有些人认为,这是有原因的。美国杜克大学的沃伦·美克认为,时间是一个非常基本的认知,因此,我们的大脑已经发育出了几个支撑系统,如果主时钟受到损害,这些支持系统能火速提供支援,这就是为什么很难发现一个无法感知时间的人的原因。

  至于这样的时钟的生物学基础是什么,没有人真正知道。迄今为止,人们所获得的最能解释定时间隔的是定速累积模型,这一模型认为,大脑拥有某种类型的起搏器,其能定时发出脉冲,并且将这些脉冲存储在一个累加器内,累加器通过对脉冲进行计数以测量过去了多长时间。

  尽管这一模型与人们对时间感知的观察非常匹配,但它也存在一个问题,那就是它很不具体。这一模型并没有说清楚起搏器是什么,置于何处;脉冲是什么,存储于何处以及如何对它们计数。科学家们已经提出了各种各样的观点,试图对这一模型进行解释,但都不太能自圆其说,因此,该模型一直处于理论模型阶段。

  一个完整的时间感知理论也必须要解释清楚为什么时间感知如此善变。科学家们已经证实,可卡因、安非他明和尼古丁都能加速时间感知,与此同时,某些安定药也会让时间过得更慢。所有这些药物都会干扰神经传递素多巴胺。多巴胺系统出现失调症状的人,比如那些帕金森氏症或者精神分裂症患者,对时间的感知也会受到一定程度的影响。

  从其他角度而言,时间似乎能被延长或者缩短。当你疲倦的时候,你会觉得时间似乎过得很慢;而当你快乐时,你会倏然惊觉时间流逝得飞快。而且,你也会发现,随着年龄的增长,时间过得越来越快。

  解答这些疑惑的关键可能是我们如何思考时间感知。美国贝勒医学院的心理学家大卫·伊格曼表示:“我们一直活在一个幻觉下,认为时间只是一件事,但是,我们可以观察时间的各个不同的角度,并从这些角度出发来操控时间。这可能意味着我们的时间感知也有多个组成部分。”

  为了弄清楚这一点,伊格曼进行了“零重力式蹦极”(SCAD)实验,将人从30米的高处扔到下面的网兜上,让其背部朝下,高举双手,做自由落体运动。在实验进行时,参与者还要把电子屏戴在手腕上,报告伊格曼他们看到的数字。待这些勇敢的参与者一下来,伊格曼就叫他们拿着秒表回忆掉下来的过程并计时。他发现在排除干扰误差后,这些人回忆的坠落时间比实际时间平均长三分之一。时间好像真的被拉长了。但令人失望的是,没有人看清电子屏上出现的数字。这说明,在经历危急时,人们的主观时间也并没有变慢,只是在事后回忆时把时间拉长了。

  伊格曼认为,当参与者下落时感觉到时间似乎变得更慢的原因在于,令人紧张或者新奇的环境控制了我们的注意力,并导致我们的大脑吸收更多细节。伊格曼已经证明,当大脑不断地暴露于一幅图片下时,接着面对另一幅完全不同的图像,即使这两幅图片展示给观看者的时间一模一样,新图像在观看者面前停留的时间似乎会更长。因为当暴露于新图像下时,大脑要使用更多的能量。伊格曼说:“时间持续的长短有时显然与大脑用来记录一件事情时使用的能量有关,使用的能量越多,时间持续越长。”

  这一观察可能也有助于解释为什么当我们年纪变大时,我们会觉得时间过得更快。对于孩子来说,每件事情都是新奇的,大脑需要处理与世界有关的大量信息。当我们年岁渐长,大脑已经掌握了世界的规则,因此,它会停止记录一些新的信息,而且,随着人的年岁渐增,人们的心态越来越豁达,对很多事情都不太在乎,让它从身边过去,大脑不需要处理那么多事情。伊格曼说:“就好像当暑假结束时,你回头望,似乎并没有那么多的回忆,在你还来不及眨眼时,时间倏地一下就过去了。这可能表明,我们能通过获得更多不同的以及令人高兴的经历来延长我们的寿命。”

  有意思的时间变形

  俄罗斯宇航员谢尔盖·克里卡列夫是世界上在太空中呆的时间最长的人,他总共在太空待了803天。尽管太空更弱的重力加速了他的衰老,但是,太空的高速运转产生的年轻效应比重力效应更强。因此,在太空的803天内,克里卡列夫比待在原地不动要年轻21微秒。因此,在太空的803天内,克里卡列夫比待在原地不动要年轻21000纳秒(1纳秒=10-9秒)。

  科学家们已经使用原子钟进行了一个著名的实验:如果你按照地球旋转的方向,向东绕地球走一圈,你将年轻40纳秒;而如果你向西走,你将再多年轻273纳秒。终其一生,你的头每天会比你的脚衰老10-2纳秒,如果你活到80岁,这个差异将增加到300纳秒。

  在澳大利亚最高的公寓大楼里住上一年,你会比那些住在平房里的居民老950纳秒。如果你在地球表面海拔最低的地方——死海的海岸边住上40年,你将比那些生活在海平面的人年轻48000纳秒,比生活在海拔5100米的秘鲁的居民年轻750000纳秒。

  没有时间的部落

  我们都具有不同的文化背景和各自的生活经历。那么,每个人的时间观念是一样的吗?人类学家们已经发现,在不同的人类族群之间,组织时间和给时间间隔命名的方式大相径庭。现在我们非常熟悉的、用来作为时间片段测量钟表时间的分和小时,实际上是从远古的巴比伦人那儿继承而来的,他们首次在时间中使用小时、天、月,就像我们在空间中使用标志、路线和距离一样,这种组织时间的方式非常符合我们的精神生活和社会生活习惯。

  实际上,如果我们谈论时间的方式可靠的话,那么,空间和时间似乎同人类的认知领域非常密切地联系在一起。我们说起某件正在出现的事情时,都会辅以世俗的标志;就像我们采用同样的方式,用与空间标记有关的地点来定位物体一样,因此,一件事情才能在夏天或者星期五发生。

  我们也会想起和说起事件以及经历这些事情的人,就像他们在一个时间线上移动一样,例如,我们会说“冬天正在逼近”或者“她即将迎来大考”等等。使用空间语言来谈论时间在全球所有的语言体系中随处可见。这使得认知科学家们宣称,使用空间概念来谈论和思考时间是人类思维中的一个普遍特征。但是,这一观念受到了四位科学家们的质疑。

  据国外媒体去年5月25日报道,巴西朗多尼亚联邦大学的瓦尼·森柏欧和瓦拉·达·希勒瓦·希郎以及英国朴次茅斯大学的于尔克·辛肯和克里斯·希郎发现,在巴西亚马逊丛林深处,有一个名叫阿莫达瓦的部落,该部落的人1986年才首次同外界接触。他们以小规模的农业、狩猎业和渔业为生。

  科学家们发现,那里的人没有时间概念。在他们的语言中没有“时间”“星期”“月”和“年”等词语,只区分白天、黑夜、旱季和雨季。对于该部落的人来说,白天的时间根据太阳在天空中的位置以及诸如起床、吃饭和工作等在不同时间里发生的活动来标记。没有表示年和月的单词,更长的时间间隔以旱季和雨季的子部分来命名。例如,当被问到如何翻译葡萄牙语单词tempo(时间)时,他们用单词kuara或者太阳(sun)来表示。

  该部落的人们也没有年龄,而是根据每个人所处的生长阶段和在部落中的地位不断变换名字。比如,一个孩子长到一定阶段后就要换一个名字,他原来的名字就由新出生的小孩继续沿用。

  研究人员表示,这一发现说明,时间并不是全球人们通用的一个计时概念;阿莫达瓦部落的人们不像我们这样受时间所累,他们在享受自由自在的生活。

  科学家们试图从阿莫达瓦人那儿引出时空隐喻,诸如“旱季正在慢慢来临”这样的表达,但结果却发现,他们并不使用这种表达。这并非因为他们不理解这种表达的意思,因为说双语的阿莫达瓦人很容易理解这种表达的意思,葡萄牙语和阿莫达瓦语本身也使用半隐喻表达,比如“这条路通往河边”。并且,也并非因为从语法上来说,他们的语言不将空间表达与时间间隔名词一起使用,阿莫达瓦人很愿意谈论太阳的运动,然而,当他们说起旱季的“运动”时,他们拒绝使用“旱季正在慢慢来临”这样的表达。

  我们应该如何解释这些发现呢?科学家们给出的假设是,因为阿莫达瓦人没有日历,没有其他基于数字的测时系统,因此,他们也没有相应的“抽象”时间的概念。他们的时间间隔已经通过围绕自然和社会世界的节奏而被结构化,而非一个独立于并强加于这样的自然和社会世界的定时时间线的一部分。因为缺乏独立于事件的时间,因此,阿莫达瓦的语言内并没有在部落内“到处走走”这样的表达,这就可以解释为什么该部落的语言中缺乏时空表达了。换句话说,那是因为阿莫达瓦部落的时间与事件和日常生活的节奏保持一致,而不像我们这样,使用一种“技术思想”(也就是制定一套时间体系)来组织这些事件和日常生活。

  对我们而言,阿莫达瓦部落的时间概念显得怪异而又令人匪夷所思。但是,从更长远的人类文化的角度来看,我们才是怪异的那个。那些通过面对面交谈而组织起来的小社会存在的时间远远长于现在通过分层结构组织起来的社会。没有日历和钟表等认知计数,传统社会依旧能够存在。这似乎表明,文化的发明更多地应归功于人类大脑的创造。

  世界上最精确的钟

  原子钟是目前世界上最准确的计时器,1955年,英国国家物理实验室(NPL)的路易·埃森和杰克·派瑞演示了第一个原子钟,其时间精度为每天有0.0001秒的误差,那时,达到这样精度的钟表能够让世界更同步。

  时间单位秒(s)是国际计量单位制的7个基本物理量中准确度最高、最重要的一个。1967年,第十三届国际计量大会(CGDM)为“秒”下了新定义:改天文秒为原子秒,即“秒是铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁对应辐射的9192631770个周期所持续的时间”。从此,实验室的铯原子钟开始复现秒的定义,成为时间频率计量的基准装置。

  最精确时钟的纪录桂冠一直在全球各个国家的实验室之间来回闲逛,但是,2011年8月份,这一桂冠再次被英国国家物理实验室夺得。如果从6500万年前恐龙灭绝开始算起,英国国家物理实验室制造出的NPL-CsF2钟的误差约为半秒钟。

  据信,诸如英国国家物理实验室的锶离子钟这样的新一代设备可能会更加精确。位于美国国家标准与技术研究院(NIST)的铝离子钟从宇宙大爆炸(大约137亿年前)算起,误差仅为4秒。

  但也有科学家表示,新的原子核钟可能会更准确。

  来自澳大利亚新南威尔士大学、美国内华达大学、佐治亚理工学院的一组国际研究人员提出了一种新的原子核计时器,该计时器在140亿年(大约是整个宇宙的年龄)时间内的计时误差只有二十分之一秒。研究人员表示,这一原子核钟将比我们现在使用的原子钟准确100倍。

  传统的原子钟利用电子围绕原子核运行的轨道来计时,电子相当于钟摆,以非常规则的间隔计时。但新提议中的原子核钟利用激光使原子中的中子以一种十分精确的方式运动,其精确度甚至比利用电子绕原子核运动进行计时的计时器还要准确。

  中子被原子核牢牢锁定(与电子以一定距离绕原子核运动不同),它们几乎完全不受外界因素的干扰,而受到松散约束的电子则可能受到外界因素十分轻微的影响。对原子钟来说,“十分轻微的影响”也是一种麻烦的错误,计时仅仅是在特别长的时间内几分之一秒的误差。

  科学家们称,新提议的原子核钟将计时的准确度提高了两个数量级,可以以前所未有的精确度帮助检测物理和量子理论。




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