DEAN BUONOMANO AJU ON AJAMASIN Neuroteadus ja aja füüsika
Inglise keelest tõlkinud Tiina Randus
Sisukord i osa: ajuaeg 1.00 Aja maitsed 2.00 Parim ajamasin, mis teil iial on 3.00 Päev ja öö 4.00 Kuues meel 5.00 Mustrid ajas 6.00 Aeg, närvidünaamika ja kaos
9 11 23 37 55 73 90
ii osa: aja füüsikaline ja mõtteline olemus 7.00 Aja pidamine 8.00 Aeg – mis asi see veel on? 9.00 Aja ruumiliseks muutmine füüsikas 10.00 Aja ruumiliseks muutmine neuroteaduses 11.00 Mõtteline ajaränd 12.00 Teadvus: mineviku ja tuleviku sidumine
111 113 127 138 155 168 185
Märkused Tänuavaldused Bibliograafia Register
200 220 222 251
Ainsana kuulub meile päriselt aeg; isegi sellel, kellel muud ei ole, on aega. – Baltasar Gracián Aeg Isik Aasta Tee Päev Mis ühendab selles nimekirjas olevaid sõnu? Andeks saab see, kes ei tunne ära, et tegu on viie kõige sagedamini kasutatava nimisõnaga inglise keeles.1 Sõna „aeg“ on nimekirja eesotsas koos kahe teisega, mis on samuti ajaühikud, sest aeg on meie elus tohutult tähtis. Kui me parasjagu kella ei küsi, räägime aja säästmisest, aja surnukslöömisest, aja teenimisest, aja võtmisest, aja puudumisest, aja jälgimisest, magamaminekuajast, aja võitmisest, headest aegadest, ajarändudest, ajakavast, vabast ajast ning minu isiklikust lemmikust, söögiajast. Teadlased ja filosoofid räägivad seevastu subjektiivsest ajast, objektiivsest ajast, õigest ajast, maailmaajast, täheajast, tekkivast ajast, ajatajust, aja kodeerimisest, relativistlikust ajast, ajarakkudest, aja aeglustumisest, reaktsiooniajast, aegruumist ning ka ülemäärasest Zeitgeberi (sünkronisaatori) ajast. Ehkki „aeg“ on kõige tavalisem nimisõna, ei ole naljakal kombel siiski ühist seisukohta selles, kuidas tuleks seda määratleda. Aja
11 dean buonomano
Aja maitsed
aju on ajamasin
01.00
aju on ajamasin dean buonomano
12
määratlemise sisemist vastuolu kirjeldas juba üle 1600 aasta tagasi kristlik filosoof püha Augustinus, kes lausus kuulsad sõnad: „Mis siis on aeg? Kui keegi minult ei küsi, siis ma tean, mis see on. Kui soovin seda küsijale selgitada, siis ma ei tea.“ Vähe on neid küsimusi, mis oleksid nii hämmastavad ja sügavmõttelised kui need, mis on seotud ajaga. Filosoofid nuputavad, mis on aeg, kas tegu on ühe hetke või täiemõõdulise dimensiooniga. Füüsikud murravad pead, miks näib aeg voolavat vaid ühes suunas, kas ajarännud on võimalikud või kas aeg on üldse olemas. Neuroteadlased ja psühholoogid püüavad omakorda aru saada, mida tähendab aja voolamise tunnetamine, kuidas aju aega tajub ning miks on inimestel ainulaadne võimekus end vaimusilmas tulevikku kujutleda. Aeg on ka vaba tahte teemalise küsimuse tuumaks: kas tulevik on lahtine tee või määrab kursi minevik? Selle raamatu eesmärk on neid küsimusi uurida ja neile vastata, niipalju kui võimalik. Esmalt peame aga arvesse võtma, et meie võimet ajateemalistele küsimustele vastata piirab neid küsimusi esitava organi loomus. Ehkki meie pealuusse peidetud 100 miljardist ajurakust koosnev geeljas mass on teadaoleva universumi kõige keerukam seadeldis, on see disainitud aja loomusest aru saama samavõrd, kuivõrd meie sülearvuti suudab kirjutada omaenda tarkvara. Seega näeme aja küsimusi uurides, et meie arusaamad ja teooriad paljastavad mitte üksnes aja loomust, vaid ka meie aju arhitektuuri ja piiranguid.
aja avastamine
Aeg on keeruline, veel keerulisem kui ruum. Jah, tõsi, ruumil on rohkem dimensioone kui ajal: ruumis on asukoha määramiseks vajalikud kolm väärtust (näiteks pikkus, laius ja kõrgus), aga ajahetke märkimiseks on vajalik vaid üks number. Nii et teatud mõttes on ruum keerukam, ent ma tahan öelda, et inimajul on ajast palju raskem aru saada kui ruumist. Võtame meie kaasselgroogsed, kellega me jagame suurt osa neuroraudvarast. Selgroogsed loomad suudavad navigeerida ruumis, luua ümbruskonnast sisemist kaarti ning teatud mõttes nad mõistavad ruumi kontseptsiooni. Loomad rändavad pikki vahemaid selge eesmärgiga, kuhu nad ruumis suunduvad; nad mäletavad, kuhu jätsid oma toidu, ning isegi kutsikas teab, et kui maius kukub diivani taha, siis tasub minna ringiga ja saada maius kätte kas vasakult, paremalt,
aju on ajamasin
13 dean buonomano
alt või ülevalt. Me teame, et imetajate ajus on väga keerukas sisemine ruumikaart, sest neuroteadlased on juba kümneid aastaid salvestanud hipokampuse koharakke. Koharakud on neuronid, mis reageerivad ehk lülituvad sisse siis, kui loom asub ruumis kindlas kohas. Koos moodustavad need rakud võrgustiku, mis loob välisest maailmast ruumilise kaardi, sarnaselt GPS-süsteemile, ainult et see on palju paindlikum; näiteks paistavad meie sisemised ruumikaardid otsemaid uuenevat, kui ruumi piirid muutuvad või objekte selles ringi tõstetakse. Loomad ei oska mitte üksnes ruumis navigeerida, vaid nad ka näevad seda.2 Mäe tipus seistes näeme ülal taevast, all metsa ja loogeldes merre voolavat jõge – kõik on ruumis omal kohal. Samuti kuuleme ruumi – see tähendab, et me leiame üles selle punkti ruumis, kust heli tuleb. Meie kompimismeel räägib meile mitte üksnes objektide asendist ja kujust, vaid ka meie kõige tähtsama omandi ehk meie jäsemete asukohast ruumist. Aeg on teistmoodi. Loomad muidugi ajas füüsiliselt navigeerida ei oska. Aeg on tee, kus pole hargnemisi, ristmikke, mahasõite ega ringteid. Vahest sel põhjusel avalduski loomadele suhteliselt nõrk evolutsiooniline surve aega kaardistada, esitada ja mõista sama hästi kui ruumi. Me näeme, et loomad tunnevad kindlasti aega ning näevad ette, millal sündmused aset leiavad, aga tundub ebatõenäoline, et meie selgroogsed sugulased teeksid minevikul, olevikul ja tulevikul vahet samamoodi, nagu nende aju teeb vahet mõistetel „üleval“, „all“, „vasakul“ ja „paremal“. Meie tajuorganid ei tuvasta vahetult aja kulgu.3 Erinevalt väljamõeldud tralfamadoorlastest Kurt Vonneguti romaanis „Tapamaja, korpus viis“, ei näe me üle aja ega suuda minevikku, olevikku ja tulevikku ühe pilguga haarata. Kõigi loomade, ka inimeste aju on ruumis navigeerimiseks, selle tajumiseks, esitamiseks ja mõistmiseks paremini varustatud kui ajaga toimetulekuks. Üks teooria selle kohta, kuidas inimesed aja kontseptsiooni mõistma õppisid, ütleb, et aju hakkas selleks kasutama ahelaid, mis olid juba ruumi kujutamiseks ja mõistmiseks olemas (10. peatükk). Nagu näha saame, võib see olla üks põhjuseid, miks kõik kultuurid paistavad ajast rääkides kasutavat ruumilisi metafoore (oli pikk päev, näen ette, tagantjärele mõeldes ma ei oleks tohtinud seda välja öelda). Aeg on ka teadlaste jaoks ruumist keerukam. Teadusvaldkonnad, nagu ka inimesed, arenevad: need küpsevad ja muutuvad kasvades.
aju on ajamasin dean buonomano
14
Paljudes valdkondades on üheks sellise küpsemise märgiks progresseeruv leppimine ajaga. Esimene tõeline tänapäevane teadusvaldkond oli väidetavalt geomeetria, mille formaliseeris Eukleides III sajandil eKr. Geomeetriat määratletakse sageli matemaatika haruna, mis tegeleb punktide, joonte, pindade ja tahkete kehade omaduste ja omavaheliste suhetega.4 Eukleidese geomeetria on märkimisväärne ka seepärast, et see on üks kõige elegantsemaid ja pöördelisemaid teooriaid teaduse ajaloos, ja kuna see saavutas sellise seisundi hoolimata sellest, et jättis aja täielikult kõrvale. Geomeetriat oleks võinud sama hästi nimetada ka ruumimeetriaks: teadus asjadest, mis on ajas paigal ega muutu kunagi. Geomeetria oli üks esimesi tõelisi teadusvaldkondi kindlal põhjusel: teadus on palju lihtsam, kui aega on võimalik eirata. Kreeka filosoofidele ja teadlastele kättesaadav matemaatika ei sobinud hästi uurimiseks, kuidas asjad ajas muutuvad. Lisaks oli antiikajal vahemaad palju lihtsam mõõta kui aega; tänapäeval on vastupidi, sest aega on võimalik mõõta palju täpsemalt kui ruumi (7. peatükk). Pärast Eukleidest läks ligi kaks tuhat aastat aega, enne kui matemaatikasse ja füüsikasse hakati aega kaasama. Tähtis samm selles suunas toimus 16. sajandi lõpus, kui ühe tõenäoliselt apokrüüfilise loo andmetel märkas igavlev Galileo Galilei, et Pisa katedraalis kiikuval lambil täisringi tegemiseks kuluv aeg on sõltumatu kiikumise amplituudist – et võnke periood on sama olenemata sellest, kas tegu on suure või väikese võnkega (hiljem tehti kindlaks, et see periood kasvab kergelt koos amplituudiga)5. Uurides liikumist ja seda, kuidas objektide asend ajas muutub, aitas Galileo panna aluse dünaamika teadusvaldkonnale. Aga nagu kreeklastel, polnud ka Galileol tööriistu jõudude, liikumise, kiiruse ja kiirenduse vaheliste suhete matemaatiliseks määramiseks. Newtonil ja Leibnizil tuli leiutada ülim matemaatiline tööriist, et tabada seda, kuidas asjad ajas muutuvad: matemaatiline analüüs.6 Matemaatilise analüüsi abil suutis Newton kirjeldada seadusi, mis kehtivad ühtmoodi nii kukkuvate õunte kui ka orbiidil liikuvate planeetide liikumisele. Newton uskus absoluutsesse aega, mis omaenese loomust voolab võrdselt, hoolimata millestki välisest. Tema jaoks oli olemas tõene ja universaalne aeg, mis kehtis ühemõtteliselt kõigile ruumi punktidele. Newtoni universum näis olevat deterministlik: kogu aega, nii minevikku kui ka tulevikku, võis põhimõtteliselt määrata üksnes oleviku põhjal. Kuid tulemas oli veel palju edasisi teaduslikke edusamme. Kaks
aeg ja neuroteadus
Paljud teisedki teadusvaldkonnad läbisid sarnased küpsemisprotsessid. Näiteks sai tänapäevane bioloogia 18. sajandil alguse üsna kirjeldava ja staatilise eluvormide taksonoomiana, kuid bioloogia arenedes õpiti aega kaasama evolutsiooni ja dünaamika kujul. Bioloogia Galileoks oli Darwin: tema mõistis, et planeedil Maa elavad liigid on pidevas liikumises: muteeruvad, kaovad ja arenevad. Neuroteaduse ja psühholoogia valdkond arenesid samuti ja õppisid aja probleemi progresseeruvalt arvestama. Öelge frenoloogianimelise pseudoteaduse kohta mida tahate, aga frenoloogid vähemalt arvestasid meie ajataju olulisust. Nad määrasid meie ajataju oimusagarate piirkonda, mis asetseb käepäraselt heli ja ruumi („lokaliteet“) vahel (joonis 1.1). Üks frenoloogiline tekst ütleb: „Selle fakulteedi tööks on märkida aja möödumist, kestust, sündmuste järjekorda jne. Samuti mäletab see kuupäevi, hoiab õiget rütmi muusikas ja tantsimises ning toob täpsuse kokkulepete täitmisesse.“8
aju on ajamasin
15 dean buonomano
neist on meie jaoks iseäranis olulised. Esiteks jõudsid teadlased vähehaaval (mõne jaoks) hirmutavale arusaamale, et isegi universumis, mis järgis täielikult Newtoni kauneid seadusi, ei olnud praktikas võimalik tulevikku ennustada (ega minevikku ümber jutustada). Paljude teadlaste, sealhulgas Prantsuse matemaatiku Henri Poincaré ja Ameerika meteoroloogi Edward Lorenzi tööd paljastasid, et tillukesed erinevused süsteemi olekus võivad viia tohutult erinevate tulemusteni tulevikus (selle kõige kuulsam näide on liblikatiiva efekt ilmaennustuses). Seda nimetatakse kaoseks ja me saame näha, et see tõstab pead siis, kui uurime kõige keerukamat meile teadaolevat dünaamilist süsteemi – meie aju (6. peatükk). Teine edasiminek toimus siis, kui Albert Einstein heitis kõrvale Newtoni arusaama absoluutsest ja universaalsest ajast. Igasuguse vaistliku arusaama vastaselt sätestas Einstein, et aeg on suhteline (9. peatükk). Me arutleme sellel teemal põhjalikult, kuid praegu on tähtis vaid see, et sedamööda, kuidas füüsika valdkond arenes ja küpses, sööbis aja probleem sellesse järjest enam sisse ja fundamentaliseerus. Teatud punktini. Veidral kombel võib mõnes nurgas näha hoopis survet aja täielikuks eemaldamiseks füüsikast,7 minnes tagasi staatilise geomeetrilise universumi juurde, mida füüsik Julian Barbour nimetab Platoniaks – viitena Platoni seisukohale, et ideaalsed geomeetrilised vormid on tõelised entiteedid, mis eksisteerivad ajatus maailmas.
aju on ajamasin dean buonomano
16
Joonis 1.1. Frenoloogiline kaart 19. sajandist
William James, üks tänapäevase psühholoogia rajajatest, sai aru ka aja olulisusest mõistuse mõistmisel. Ta pühendas oma suurteoses „The Principles of Psychology“ („Psühholoogia põhimõtted“) (avaldatud 1890) terve peatüki ajatajule. Veidral kombel ei ole sestpeale avaldatud psühholoogia ja neuroteaduste pöördelise tähtsusega teosed sedasama teinud.9 Läbi peaaegu kogu 20. sajandi jäeti aja küsimus veidi unarusse ja õpikutes seda eriti ei käsitletud. Ma lihtsustan üleliia. Esiteks ei ole aja küsimus neuroteaduses ja psühholoogias ühtne probleem, vaid hulk omavahel seotud probleeme, mis haakuvad sellega, kuidas aju aega arvestab, keerukaid ajalisi mustreid loob, teadlikult aja kulgu tajub, minevikku meenutab ja tulevikust mõtleb. Teine ja olulisem edusamm tehti paljudes aja psühholoogia ja neuroteadusega seotud alamvaldkondades. Näiteks kronobioloogia valdkond, kus uuritakse bioloogilisi rütme, eeskätt une ja ärkveloleku tsüklit, on terve 20. sajandi kenasti arenenud
presentism ja eternalism
See raamat keskendub peamiselt aja neuroteadusele ja psühholoogiale, kuid me süüvime ka küsimustesse, mis puudutavad aja füüsikat. Eesmärk ei ole mitte üksnes mõista füüsika pakutavaid põhimõttelisi sissevaateid aja olemusse, vaid uurida ka seda, mis punktis aja neuroteadus ja psühholoogia lõikuvad – või ehk tuleks öelda, et kus need põrkuvad (8. ja 9. peatükk). Selle eesmärgi nimel on tähtis tutvustada
aju on ajamasin
17 dean buonomano
(3. peatükk). Lisaks leidus läbi terve sama perioodi mitmeid teerajajaid, kes laiendasid meie arusaamu sellest, kuidas aju aega võtab ja seda tajub. Kuid suhteliselt võttes on ajaga seotud probleemidest mööda vaadatud. Võtke näiteks kätte tänapäevase neuroteaduste piibel, õpik „Neuroteaduste põhimõtted“, ning otsige sõnaregistrist inglise keele kõige levinumat nimisõna – te ei leia seda. Ent kui otsida sõna „ruum“, siis see on esindatud paljudes kirjetes.10 Psühholoogia ja neuroteadus on teadusvaldkondadena vastsündinud ning alles hakkavad aja ja dünaamika tegelikku olulisust taipama. 2008. aastal kirjutas Berkeley California ülikooli psühholoog Richard Ivry: „Üks põlvkond tagasi oli ajastuse uurimine piiratud ning keskendus ajaliste korrapäradega märgitud käitumiste uurimisele. Viimasel ajal on ajataju uuringutes toimunud renessanss ning uurijad vaatlevad laia valikut ajalisi fenomene.“11 Selle nihke näitena võime vaadelda psühholoogia ja neuroteaduste püha graali – küsimust sellest, kuidas aju mälestusi talletab. Kuna mälestused on seotud möödunud kogemustega, siis on mälestus lahutamatult ajaga seotud. Aga isegi siinkohal ei õnnestu teadlastel sageli mälu probleemi õigesse ajalisse konteksti asetada. Alles 21. sajandil on teadlased hakanud tunnistama, et mineviku kohta käiv fakt on kasulik üksnes sedavõrd, kuivõrd see võimaldab neil ennustada seda, mis juhtub tulevikus.12 Mälu ei arenenud selleks, et saaksime mineviku üle mõtiskleda. Mälu ainus evolutsiooniline funktsioon on võimaldada loomadel ennustada, mis hakkab juhtuma, millal see juhtub ning kuidas kõige paremini reageerida, kui see juhtub. Tänu kestvatele kontseptuaalsetele muutustele ja tervele hulgale metodoloogilistele edusammudele on neuroteadustes ja psühholoogias järjest enam hakatud keskenduma ajale. Ning mis kõige tähtsam, järjest enam on hakatud tunnistama, et ilma teadmata, kuidas aju aega võtab, tajub ja esitab, ei ole võimalik inimese mõistusest aru saada.