爲什麼最短的起跑時間不是0秒，而是0.1秒？

來源：果殼

7月31日晚上，東京奧運會田徑賽場出現了爭議性的一幕：

在男子100米第1輪比賽中，尼日利亞選手因爲搶跑而被紅牌罰下。他的起跑反應時間爲0.095秒——根據國際田徑聯合會的規定，運動員的起跑反應時間少於0.100秒時，即被視爲搶跑。與此同時，同組的英國選手剛剛跑出0.093秒的起跑時間，卻被判斷爲“計時器故障”而得以留在場上。

這種判罰是否公正，我們無法評判，不過看着運動員失落離場的樣子，還是會不禁感慨：辛苦準備比賽，只因爲與規定起跑時間0.005秒的差距就失去了機會，這種規定對運動員會不會太嚴苛了點？

0.100秒，發生了什麼？

在短跑比賽中，起跑反應時間指的是從發令槍響開始，到起跑器記錄到超過閾值的力爲止的時間。最短起跑反應時間並不是0秒，而是0.100秒，這個規定部分參考了一項1990年的研究。研究記錄了8名芬蘭的男性短跑運動員在起跑時的腿部肌電信號，當肌肉的活動水平超過基線10%時則記下反應時間；結果發現，起跑姿勢中前後兩條腿的平均反應時間分別爲0.121秒和0.119秒。

不過，這項規定在近年來有許多爭議，有人認爲它太長，有人認爲它太短。在實際起跑過程中，運動員身上到底發生了什麼事呢？

槍聲入耳

發令槍響，聲音通過空氣介質傳導進入運動員的耳朵。這看起來不過是一瞬間，但在毫秒必爭的短跑賽場，槍聲入耳的時間不可忽略。

以前的短跑比賽中，發令員站在賽道一側，槍聲傳導到離發令槍最近和最遠的賽道會有20~30毫秒的差別；隨着傳播距離的增加，槍聲響度下降，槍聲大小也與運動員的反應時間密切相關。1996年奧運會短跑比賽的統計數據顯示，起跑反應時間的平均值從第一賽道到第八賽道逐漸增大；2004年奧運會短跑比賽的數據也有相似的規律。

因而，從2008年奧運會開始，在短跑比賽中，每個跑道的起跑器後面都放置了擴音器，同時播放音量相同的發令槍聲，以最大程度保證公平。在這種情況下，槍聲在約3毫秒後進入運動員的雙耳。

聽覺轉化爲運動

槍聲抵達運動員的耳朵後，聲波由耳蝸轉化爲神經信號，經耳蝸神經傳遞到腦幹中的耳蝸核；隨後傳導到中腦中的下丘，再到丘腦中的內側膝狀體，最後抵達聽覺皮層。聽覺的感知通路也是各種感覺信息中最長的一條。通過腦電記錄可知，聲音信號從耳朵抵達中樞神經系統的第一站——腦幹，大概需要3毫秒；到達人類的聽覺感知核心腦區——聽皮層，需要35~50毫秒。

之後，聽皮層將信號傳導至控制運動的運動皮層，運動皮層的指令最終經過腦幹和脊髓到達全身肌肉，告訴運動員的身體該如何發力。運動信號從腦幹到腿部約需要30~50毫秒；而且，通常來說，運動員身高越高，這個過程需要更長時間；從神經信號到最終肌肉中間發生化學傳導，需要耗費3~6毫秒。

身體需要經過一系列的反應，才能完成起跑的動作。圖爲2012年奧運會男子110米欄比賽，卡梅·阿里因搶跑被取消資格 | Andrew Thomas / Wikimedia Commons

但也有人猜測，聽皮層和運動皮層可能並未直接參與專業運動員的起跑過程，這部分的理論反應時間或許還能更短。在聽覺驚嚇反射中，從受到聲音驚嚇，到腿部肌肉收縮的最短時間爲60毫秒，低於上述反應時間的總和。如果繞開了緩慢而複雜的皮層，通過較爲原始的腦結構完成動作，起跑反應時間就會更短。

施力達到起跑器閾值

腿部肌肉接收到信號還不夠，它們還必須收縮到一定程度，才能啓動關節的運動，這部分的機械延遲有15~20毫秒。最後，當起跑器感受到運動員施加的力超過設定閾值時，便會停止反應時間的計時，這部分的延遲取決於設定閾值的大小。

因而，如果不考慮起跑器的閾值，僅僅將上述各個過程的時間相加，起跑反應時間的極限似乎真的可能短於100毫秒。

100毫秒，太長還是太短？

一項2007年的實驗中，研究人員邀請了9名英國男性短跑運動員參與測試；結果發現，在超過20%的起跑過程中，反應時間都低於100毫秒，研究記錄到的最快起跑反應的腿部肌電信號出現在60毫秒左右。基於這些結果，他們認爲，起跑反應時間的標準應該下調到85毫秒。

但是，這項研究的測量結果平均值，較比賽記錄到的起跑反應時間低了至少20毫秒。這很可能與起跑器的閾值設定有關，國際田聯使用的計時系統來自供應商Omega，具體的閾值信息沒有公佈，研究中設定的力閾值可能與比賽閾值有偏差。同時，運動員的心理狀態也有很大區別，實驗中沒有搶跑被罰下的壓力，可能讓他們更傾向於預測發令槍的時間。

2007年泛美運動會100米起跑線上的壓敏起跑器 | Andrew Hecker / Wikimedia Commons

一些學者則試圖在重大比賽的數據中尋找規律。有幾項研究對統計數據進行分析建模，都得到了這樣的結論：無論男性還是女性運動員，起跑反應時間低於100毫秒的可能性都不足0.01%。一項基於北京奧運會的研究指出，男性反應時間有99.9%的置信度在109毫秒以上，而女性則是121毫秒。換句話說，100毫秒的規則反而會產生一些搶跑的漏網之魚。

另一項分析了最近4屆奧運會，結果發現，在2004年奧運會中，女性運動員的平均反應時間長於男性；但這一差異在2008年奧運會明顯降低，到了2012年則幾乎消失。研究者猜測，可能是Omega針對女性運動員設置了較低的力量閾值。

什麼影響了起跑反應時間？

毫無疑問，運動員千百次反覆的練習，會讓他們的起跑反應逐漸達到自己的最佳水平。另外，多項研究都發現，從預賽、半決賽到決賽，運動員的反應時間依次縮短，這可能與運動員在越重要的比賽中越集中注意力有關。

大腦也會對即將發生的事情——比如發令槍響，作出預測。在上面提到的聽覺驚嚇反射實驗中，相比於直接用聲音“驚嚇”被試者，如果在聲音刺激之前先給出視覺刺激，被試者作出收縮反射的時間會降低20~50毫秒。

在短跑比賽中，從準備提示到發令槍響，時間間隔通常在1.4~2.3秒之間。一項對20名男性短跑運動員的實驗發現，時間間隔越長，起跑反應時間越短；大賽數據也驗證了這一結果。這也說明，大腦在準備階段的狀態顯著地影響了起跑反應。

一項統計數據認爲，短距離項目最終的成績排名與起跑反應時間沒有相關性；然而，起跑時間依然是比賽中備受關注的數據 | Pixabay

除了大腦的“無意識”預測，運動員也可能有意識地進行“壓槍跑”——不根據發令槍起跑，而根據自己預計的發令槍時間“賭”一把，如果反應時間超過100毫秒，那就是成功的起跑。

2010年，國際田聯全面實行“零搶跑”規定，運動員只要搶跑一次就會被取消資格。在此之前，運動員被允許搶跑一次，只有累計兩次搶跑纔會被罰下。在“零搶跑”規定之前，不少的運動員都會使用壓槍跑的策略，縮短起跑反應時間或擾亂對手的心態。有趣的是，有研究者比較了2009年和2011年的世界田徑錦標賽短跑數據，發現在“零搶跑”規則之後，運動員的起跑反應時間有了顯著的增加。