Lịch sử đo thời gian phản ứng bắt đầu từ một rắc rối của các nhà thiên văn cuối thế kỷ 18, đi qua phép đo tốc độ dẫn truyền thần kinh của Hermann von Helmholtz năm 1850, và thành một phương pháp khoa học khi Franciscus Donders đưa ra phép trừ năm 1868. Công cụ giúp những phép đo này khả thi là đồng hồ bấm giờ điện từ của Matthäus Hipp, chính xác tới khoảng một phần nghìn giây. Từ đây, tâm lý học có được con số đầu tiên đo được cho "tốc độ của ý nghĩ".
Một trợ lý bị đuổi việc và "phương trình cá nhân"
Năm 1796, Nevil Maskelyne, Nhà thiên văn Hoàng gia Anh ở Greenwich, nhận thấy trợ lý của mình là David Kinnebrook ghi thời điểm các ngôi sao đi qua sợi chỉ chữ thập trong kính thiên văn chậm hơn ông khoảng gần một giây. Thời đó, cách ghi là nghe tiếng tích tắc của đồng hồ quả lắc và ước lượng bằng mắt ngôi sao qua sợi chỉ lúc nào. Maskelyne cho rằng trợ lý cẩu thả, và Kinnebrook mất việc.
Khoảng hai mươi năm sau, nhà thiên văn Đức Friedrich Wilhelm Bessel đọc lại chuyện này và tự hỏi: liệu sai lệch có phải do cẩu thả, hay mỗi người có một độ trễ riêng? Ông so sánh quan sát của nhiều nhà thiên văn lành nghề và thấy ngay cả những người giỏi nhất cũng chênh nhau một cách nhất quán. Khái niệm "phương trình cá nhân" ra đời: mỗi người quan sát có một độ lệch riêng cần hiệu chỉnh. Đó là lần đầu tiên khoa học thừa nhận rằng nhận thức của con người tốn thời gian và thời gian ấy khác nhau giữa người với người.
Helmholtz năm 1850: thần kinh không nhanh như tưởng
Giữa thế kỷ 19, nhiều nhà khoa học tin rằng tín hiệu thần kinh truyền nhanh tới mức không thể đo được, có người còn cho là gần với tốc độ ánh sáng. Johannes Müller, một nhà sinh lý học lớn thời đó, từng viết rằng có lẽ ta sẽ không bao giờ đo được tốc độ này.
Học trò của ông, Hermann von Helmholtz, làm điều ngược lại vào năm 1850. Ông dùng chế phẩm cơ bắp chân ếch còn nối với dây thần kinh, kích thích điện dây thần kinh ở hai điểm, một điểm gần cơ, một điểm xa cơ, rồi đo thời gian từ lúc kích thích tới lúc cơ co. Chênh lệch giữa hai lần chính là thời gian tín hiệu đi hết đoạn dây thần kinh giữa hai điểm. Chia quãng đường cho thời gian, ông có được tốc độ.
Con số ông thu được chỉ cỡ vài chục mét mỗi giây. Chậm hơn ánh sáng hàng triệu lần, chậm hơn cả âm thanh trong không khí. Phát hiện này mở ra một ý nghĩ táo bạo: nếu thần kinh truyền chậm như vậy, thì cảm nhận và hành động của con người cũng phải tốn một khoảng thời gian đo được. Helmholtz cũng thử đo ở người bằng cách kích thích da ở các vị trí khác nhau, nhưng kết quả dao động quá nhiều, cho thấy ở người còn có những bước xử lý khác ngoài đường dẫn đơn thuần.
Đồng hồ Hipp: đo được một phần nghìn giây
Đo những khoảng thời gian cỡ một phần mười hay một phần trăm giây cần một chiếc đồng hồ đặc biệt. Ý tưởng dùng điện để điều khiển kim đồng hồ đã được Charles Wheatstone ở Anh đề xuất. Người thợ đồng hồ gốc Đức Matthäus Hipp (về sau sang làm việc ở Thuỵ Sĩ) phát triển nó thành một thiết bị thực dụng từ những năm 1840: chronoscope Hipp.
Nguyên lý: một bộ máy đồng hồ chạy liên tục bên trong, được điều tốc bằng một lưỡi rung dao động rất đều, khoảng một nghìn lần mỗi giây. Một nam châm điện quyết định khi nào kim chỉ được ăn khớp với bộ máy. Khi mạch điện đóng hoặc ngắt (tín hiệu xuất hiện, người tham gia bấm phím), kim bắt đầu hoặc dừng chạy. Mặt số đọc được tới một phần nghìn giây.
Đồng hồ Hipp phải được hiệu chỉnh thường xuyên, vì nam châm có độ trễ riêng. Các phòng thí nghiệm thế kỷ 19 dùng thêm một thiết bị rơi (một viên bi hay một tấm gỗ rơi qua hai tiếp điểm ở khoảng cách biết trước) để kiểm tra đồng hồ, chính là cách dùng trọng lực làm chuẩn thời gian, giống như thử thước rơi ngày nay.
Donders năm 1868: phép trừ để đo ý nghĩ
Franciscus Cornelis Donders, một bác sĩ nhãn khoa người Hà Lan ở Utrecht, đặt câu hỏi: nếu phản ứng gồm nhiều bước, có cách nào đo riêng từng bước không? Năm 1868, ông công bố một phương pháp đơn giản mà sắc sảo, ngày nay gọi là phương pháp trừ (subtractive method). Ông so sánh ba loại phản ứng:
| Loại | Bài làm | Gồm những bước |
|---|---|---|
| Phản ứng a | Một tín hiệu, một cách đáp: nghe âm là lặp lại âm đó | Nhận tín hiệu + đáp |
| Phản ứng b | Nhiều tín hiệu, mỗi tín hiệu một cách đáp riêng | Nhận + phân biệt + chọn cách đáp + đáp |
| Phản ứng c | Nhiều tín hiệu, chỉ đáp khi gặp một tín hiệu nhất định | Nhận + phân biệt + đáp |
Lấy thời gian phản ứng c trừ đi a, ta được thời gian để phân biệt tín hiệu. Lấy b trừ đi c, ta được thời gian để chọn cách đáp. Lần đầu tiên, một quá trình tinh thần không nhìn thấy được lại có một con số đo bằng phần nghìn giây.
Phương pháp trừ có điểm yếu đã được chỉ ra về sau: nó giả định thêm một bước vào thì các bước khác giữ nguyên, điều không phải lúc nào cũng đúng. Năm 1969, Saul Sternberg đề xuất phương pháp các yếu tố cộng (additive factors method) để khắc phục phần nào. Nhưng ý tưởng gốc của Donders, đo thời gian để suy luận về những gì diễn ra trong đầu, vẫn là nền móng của tâm lý học nhận thức ngày nay.
Từ Leipzig ra thế giới
Năm 1873, nhà sinh lý học Áo Sigmund Exner được cho là người đặt ra thuật ngữ Reaktionszeit, "thời gian phản ứng". Năm 1879, Wilhelm Wundt mở phòng thí nghiệm tâm lý học ở Đại học Leipzig, thường được coi là phòng thí nghiệm tâm lý học thực nghiệm chính thức đầu tiên. Đo thời gian phản ứng bằng đồng hồ Hipp là một trong những công việc trung tâm ở đó. Học trò của Wundt mang phương pháp này đi khắp châu Âu và nước Mỹ, và "tâm lý học thời gian" (mental chronometry) trở thành một ngành.
Các mốc chính
- 1796: Maskelyne và trợ lý Kinnebrook ở Greenwich.
- Thập niên 1820: Bessel đưa ra khái niệm phương trình cá nhân.
- Thập niên 1840: Hipp phát triển chronoscope điện từ.
- 1850: Helmholtz đo tốc độ dẫn truyền thần kinh ở ếch.
- 1868: Donders công bố phương pháp trừ.
- 1873: Exner gọi tên "thời gian phản ứng".
- 1879: Wundt mở phòng thí nghiệm ở Leipzig.
- 1952–1953: Hick và Hyman nối thời gian phản ứng với lý thuyết thông tin.
Góc nhìn hôm nay: dấu vết còn lại và cách tìm hiểu thêm
Nhiều chiếc đồng hồ Hipp còn được lưu giữ trong các bộ sưu tập khí cụ khoa học của đại học và bảo tàng ở châu Âu và Mỹ. Nếu đọc được tiếng Anh, bạn có thể tìm các bộ sưu tập số hoá về khí cụ tâm lý học thế kỷ 19, nơi có ảnh chụp và mô tả cách vận hành.
Một cách "sống lại" lịch sử ngay tại nhà: làm thử thách thước rơi rồi tự làm lại phép trừ của Donders. Đo lượt bắt thước bình thường (phản ứng a). Rồi đổi luật: người thả nói ngẫu nhiên "đỏ" hoặc "xanh" lúc thả, bạn chỉ bắt khi nghe "đỏ" (phản ứng c). Chênh lệch giữa hai kết quả là thời gian bạn cần để phân biệt hai từ. Sai số lớn, nhưng bạn vừa làm một phép đo mà năm 1868 là đỉnh cao của khoa học.
Câu hỏi thường gặp
Ai là người đầu tiên đo tốc độ dẫn truyền thần kinh?
Hermann von Helmholtz, năm 1850, trên dây thần kinh và cơ chân ếch. Ông kích thích dây thần kinh ở hai điểm khác nhau và đo chênh lệch thời gian cơ co, tìm ra tốc độ chỉ cỡ vài chục mét mỗi giây.
Phương pháp trừ của Donders là gì?
Là cách so sánh thời gian của các bài phản ứng chỉ khác nhau một bước, rồi lấy hiệu số làm thời gian của bước đó. Donders công bố năm 1868, dùng nó để đo thời gian phân biệt tín hiệu và thời gian chọn cách đáp.
Đồng hồ Hipp là gì?
Là đồng hồ bấm giờ điện từ do Matthäus Hipp phát triển từ những năm 1840, đọc được tới khoảng một phần nghìn giây. Nó là thiết bị chính để đo thời gian phản ứng trong các phòng thí nghiệm thế kỷ 19.
Phương trình cá nhân trong thiên văn học là gì?
Là độ lệch thời gian riêng của mỗi người quan sát khi ghi thời điểm một ngôi sao đi qua kính. Bessel phát hiện độ lệch này nhất quán ở từng người, và đó là bước đầu để khoa học thừa nhận nhận thức tốn thời gian.
Ai đặt ra thuật ngữ thời gian phản ứng?
Nhà sinh lý học Áo Sigmund Exner thường được ghi nhận là người dùng thuật ngữ "Reaktionszeit" năm 1873. Sau đó phòng thí nghiệm của Wundt ở Leipzig biến việc đo thời gian phản ứng thành phương pháp chuẩn.
