为什么最短的起跑时间不是0秒，而是0.1秒？
7月31日晚上，东京奥运会田径赛场出现了争议性的一幕：
在男子100米第1轮比赛中，尼日利亚选手因为抢跑而被红牌罚下。他的起跑反应时间为0.095秒——根据国际田径联合会的规定，运动员的起跑反应时间少于0.100秒时，即被视为抢跑。与此同时，同组的英国选手刚刚跑出0.093秒的起跑时间，却被判断为“计时器故障”而得以留在场上。
尼日利亚选手奥杜杜鲁因为抢跑被红牌罚下
这种判罚是否公正，我们无法评判，不过看着运动员失落离场的样子，还是会不禁感慨：辛苦准备比赛，只因为与规定起跑时间0.005秒的差距就失去了机会，这种规定对运动员会不会太严苛了点？
0.100秒，发生了什么？
在短跑比赛中，起跑反应时间指的是从发令枪响开始，到起跑器记录到超过阈值的力为止的时间。最短起跑反应时间并不是0秒，而是0.100秒，这个规定部分参考了一项1990年的研究。研究记录了8名芬兰的男性短跑运动员在起跑时的腿部肌电信号，当肌肉的活动水平超过基线10%时则记下反应时间；结果发现，起跑姿势中前后两条腿的平均反应时间分别为0.121秒和0.119秒。
不过，这项规定在近年来有许多争议，有人认为它太长，有人认为它太短。在实际起跑过程中，运动员身上到底发生了什么事呢？
枪声入耳
发令枪响，声音通过空气介质传导进入运动员的耳朵。这看起来不过是一瞬间，但在毫秒必争的短跑赛场，枪声入耳的时间不可忽略。
以前的短跑比赛中，发令员站在赛道一侧，枪声传导到离发令枪最近和最远的赛道会有20～30毫秒的差别；随着传播距离的增加，枪声响度下降，枪声大小也与运动员的反应时间密切相关。1996年奥运会短跑比赛的统计数据显示，起跑反应时间的平均值从第一赛道到第八赛道逐渐增大；2004年奥运会短跑比赛的数据也有相似的规律。
起跑器后有一个小喇叭 | Pixabay
因而，从2008年奥运会开始，在短跑比赛中，每个跑道的起跑器后面都放置了扩音器，同时播放音量相同的发令枪声，以最大程度保证公平。在这种情况下，枪声在约3毫秒后进入运动员的双耳。
听觉转化为运动
枪声抵达运动员的耳朵后，声波由耳蜗转化为神经信号，经耳蜗神经传递到脑干中的耳蜗核；随后传导到中脑中的下丘，再到丘脑中的内侧膝状体，最后抵达听觉皮层。听觉的感知通路也是各种感觉信息中最长的一条。通过脑电记录可知，声音信号从耳朵抵达中枢神经系统的第一站——脑干，大概需要3毫秒；到达人类的听觉感知核心脑区——听皮层，需要35～50毫秒。
之后，听皮层将信号传导至控制运动的运动皮层，运动皮层的指令最终经过脑干和脊髓到达全身肌肉，告诉运动员的身体该如何发力。运动信号从脑干到腿部约需要30～50毫秒；而且，通常来说，运动员身高越高，这个过程需要更长时间；从神经信号到最终肌肉中间发生化学传导，需要耗费3～6毫秒。
身体需要经过一系列的反应，才能完成起跑的动作。图为2012年奥运会男子110米栏比赛，卡梅·阿里因抢跑被取消资格 | Andrew Thomas / Wikimedia Commons
但也有人猜测，听皮层和运动皮层可能并未直接参与专业运动员的起跑过程，这部分的理论反应时间或许还能更短。在听觉惊吓反射中，从受到声音惊吓，到腿部肌肉收缩的最短时间为60毫秒，低于上述反应时间的总和。如果绕开了缓慢而复杂的皮层，通过较为原始的脑结构完成动作，起跑反应时间就会更短。
施力达到起跑器阈值
腿部肌肉接收到信号还不够，它们还必须收缩到一定程度，才能启动关节的运动，这部分的机械延迟有15～20毫秒。最后，当起跑器感受到运动员施加的力超过设定阈值时，便会停止反应时间的计时，这部分的延迟取决于设定阈值的大小。
因而，如果不考虑起跑器的阈值，仅仅将上述各个过程的时间相加，起跑反应时间的极限似乎真的可能短于100毫秒。
100毫秒，太长还是太短？
一项2007年的实验中，研究人员邀请了9名英国男性短跑运动员参与测试；结果发现，在超过20%的起跑过程中，反应时间都低于100毫秒，研究记录到的最快起跑反应的腿部肌电信号出现在60毫秒左右。基于这些结果，他们认为，起跑反应时间的标准应该下调到85毫秒。
但是，这项研究的测量结果平均值，较比赛记录到的起跑反应时间低了至少20毫秒。这很可能与起跑器的阈值设定有关，国际田联使用的计时系统来自供应商Omega，具体的阈值信息没有公布，研究中设定的力阈值可能与比赛阈值有偏差。同时，运动员的心理状态也有很大区别，实验中没有抢跑被罚下的压力，可能让他们更倾向于预测发令枪的时间。
2007年泛美运动会100米起跑线上的压敏起跑器 | Andrew Hecker / Wikimedia Commons
一些学者则试图在重大比赛的数据中寻找规律。有几项研究对统计数据进行分析建模，都得到了这样的结论：无论男性还是女性运动员，起跑反应时间低于100毫秒的可能性都不足0.01%。一项基于北京奥运会的研究指出，男性反应时间有99.9%的置信度在109毫秒以上，而女性则是121秒。换句话说，100毫秒的规则反而会产生一些抢跑的漏网之鱼。
另一项分析了最近4届奥运会，结果发现，在2004年奥运会中，女性运动员的平均反应时间长于男性；但这一差异在2008年奥运会明显降低，到了2012年则几乎消失。研究者猜测，可能是Omega针对女性运动员设置了较低的力量阈值。
什么影响了起跑反应时间？
毫无疑问，运动员千百次反复的练习，会让他们的起跑反应逐渐达到自己的最佳水平。另外，多项研究都发现，从预赛、半决赛到决赛，运动员的反应时间依次缩短，这可能与运动员在越重要的比赛中越集中注意力有关。
大脑也会对即将发生的事情——比如发令枪响，作出预测。在上面提到的听觉惊吓反射实验中，相比于直接用声音“惊吓”被试者，如果在声音刺激之前先给出视觉刺激，被试者作出收缩反射的时间会降低20～50毫秒。
在短跑比赛中，从准备提示到发令枪响，时间间隔通常在1.4～2.3秒之间。一项对20名男性短跑运动员的实验发现，时间间隔越长，起跑反应时间越短；大赛数据也验证了这一结果。这也说明，大脑在准备阶段的状态显著地影响了起跑反应。
一项统计数据认为，短距离项目最终的成绩排名与起跑反应时间没有相关性；然而，起跑时间依然是比赛中备受关注的数据 | Pixabay
除了大脑的“无意识”预测，运动员也可能有意识地进行“压枪跑”——不根据发令枪起跑，而根据自己预计的发令枪时间“赌”一把，如果反应时间超过100毫秒，那就是成功的起跑。
2010年，国际田联全面实行“零抢跑”规定，运动员只要抢跑一次就会被取消资格。在此之前，运动员被允许抢跑一次，只有累计两次抢跑才会被罚下。在“零抢跑”规定之前，不少的运动员都会使用压枪跑的策略，缩短起跑反应时间或扰乱对手的心态。有趣的是，有研究者比较了2009年和2011年的世界田径锦标赛短跑数据，发现在“零抢跑”规则之后，运动员的起跑反应时间有了显著的增加。
2011年大邱田径世锦赛的男子100米比赛中，世界纪录保持者博尔特也因为一次抢跑被罚下 | Erik van Leeuwen / Wikimedia Commons
100毫秒是太长还是太短，目前仍无定论。随着人类对躯体机能的了解加深，关于起跑反应时间的规则也会有更多更深入的讨论，例如男女是否应该制定不同的反应时间标准，准备提示到发令枪的时间又应该如何合理控制。
这是不断突破极限的奇迹，也是不断了解自身的契机。
参考文献
[1] Brosnan, Kevin C., Kevin Hayes, and Andrew J. Harrison. "Effects of false-start disqualification rules on response-times of elite-standard sprinters." Journal of Sports Sciences 35.10 (2017): 929-935.
[2] Brown, Alexander M., et al. "'Go’Signal Intensity Influences the Sprint Start." Medicine and science in sports and exercise 40.6 (2008): 1142.
[3] Daube, Jasper R., et al. "Handbook of Clinical Neurophysiology." (2008).
[4] Di Russo, Francesco, et al. "Cortical sources of the early components of the visual evoked potential." Human brain mapping 15.2 (2002): 95-111.
[5] Duyckaerts, Charles, and Irene Litvan. "Handbook of Clinical Neurology, Vol. 89 (3rd series)." (2008).
[6] Hashimoto, I. S. A. O., et al. "Brain-stem auditory-evoked potentials recorded directly from human brain-stem and thalamus." Brain: a journal of neurology 104.Pt 4 (1981): 841-859.
[7] Jose, Shelton, and Kumar Gideon Praveen. "Comparison between auditory and visual simple reaction times." Neuroscience & Medicine 2010 (2010).
[8] Lightfoot, Guy. "Summary of the N1-P2 cortical auditory evoked potential to estimate the auditory threshold in adults." Seminars in hearing. Vol. 37. No. 01. Thieme Medical Publishers, 2016.
[9] Markand, Omkar N. "Brainstem auditory evoked potentials." Journal of clinical neurophysiology: official publication of the American Electroencephalographic Society 11.3 (1994): 319-342.
[10] Mero, A., P. V. Komi, and R. J. Gregor. "Biomechanics of sprint running." Sports medicine 13.6 (1992): 376-392.
[11] Mero, Antti, and Paavo V. Komi. "Reaction time and electromyographic activity during a sprint start." European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology 61.1 (1990): 73-80.
[12] Milloz, Matthieu, Kevin Hayes, and Andrew J. Harrison. "Sprint Start Regulation in Athletics: A Critical Review." Sports Medicine (2020): 1-11.
[13] Mirshams Shahshahani, Payam, et al. "On the apparent decrease in Olympic sprinter reaction times." PloS one 13.6 (2018): e0198633.
[14] Otsuka, Mitsuo, Toshiyuki Kurihara, and Tadao Isaka. "Timing of gun fire influences sprinters’ multiple joint reaction times of whole body in block start." Frontiers in psychology 8 (2017): 810.
[15] Pain, Matthew TG, and Angela Hibbs. "Sprint starts and the minimum auditory reaction time." Journal of sports sciences 25.1 (2007): 79-86.
[16] Teufel, Christoph, and Paul C. Fletcher. "Forms of prediction in the nervous system." Nature Reviews Neuroscience 21.4 (2020): 231-242.
[17] Thabet, Mirahan T., and Nithreen M. Said. "Cortical auditory evoked potential (P1): a potential objective indicator for auditory rehabilitation outcome." International journal of pediatric otorhinolaryngology 76.12 (2012): 1712-1718.
[18] Tønnessen, Espen, Thomas Haugen, and Shaher AI Shalfawi. "Reaction time aspects of elite sprinters in athletic world championships." The Journal of Strength & Conditioning Research 27.4 (2013): 885-892.
[19] Valls-Solé, J., et al. "Reaction time and acoustic startle in normal human subjects." Neuroscience letters 195.2 (1995): 97-100.
[20] Valls‐Solé, Josep, et al. "Patterned ballistic movements triggered by a startle in healthy humans." The Journal of physiology 516.3 (1999): 931-938.
[21] Van Hooren, Bas, and Frans Bosch. "Influence of muscle slack on high-intensity sport performance: a review." Strength and Conditioning Journal 38.5 (2016): 75-87.
[22] 金庆红. "“零抢跑” 规则对优秀短跑运动员起跑反应时间的影响." 安徽工程大学学报 28.2 (2013): 88-91.
[23] https://www.163.com/sports/article/5GT229J400051CAQ.html
[24] http://sports.sina.com.cn/others/athletics/2016-05-14/doc-ifxsehvu8934745.shtml
[25] https://sports.qq.com/a/20120225/000404.htm
[26] https://sports.qq.com/a/20190221/006769.htm
本文来自微信公众号 “果壳”（ID：Guokr42），作者：Insulindian，36氪经授权发布。
该文观点仅代表作者本人，36氪平台仅提供信息存储空间服务。