自從牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》以來，人類從此擺脫了巫術(shù)的束縛，走上了科學(xué)的軌道。如今，可以說幾乎所有的東西都可以被人類抓住，比如用電磁場可以束縛住核聚變的能量，這就是人工核聚變；用晶體甚至可以困住光。

時(shí)間依舊如幾千年前，文明誕生初期那樣，如出膛的子彈，一去不復(fù)返。在時(shí)間面前，人類是那樣的孤獨(dú)、弱小、無助，無數(shù)的哲學(xué)家和科學(xué)家們?yōu)榇税l(fā)出各種各樣的慨嘆。本文本著科學(xué)的精神，與您在科學(xué)的范疇之內(nèi)，談?wù)剷r(shí)間究竟是什么。由于時(shí)間和空間密不可分的關(guān)系，我們的討論就需要把它們放在一起，同時(shí)進(jìn)行。

一、經(jīng)驗(yàn)時(shí)空

地球上所有文明最早的計(jì)時(shí)器都是太陽鐘，其中包括利用太陽射影的長短來判斷日中時(shí)間、定四季和辨方向的叫做圭表；另一種是利用太陽射影的方向來判斷時(shí)間的，叫做日晷。

由于這兩種裝置在陰天和夜間都不能使用，所以后來人類發(fā)明了沙漏和水漏這種最原始的計(jì)時(shí)裝置。很顯然，人類從最早的晝夜變化中感受到了時(shí)間的流逝，并開始利用太陽的東升西落來進(jìn)行計(jì)時(shí)。

雖然沒有任何史料能夠證實(shí)，那時(shí)候的人類已經(jīng)具備了很明確的時(shí)空概念，但是很明顯，即使是當(dāng)時(shí)的人類，也是知道利用物體（太陽）在空間中的周期性運(yùn)動(dòng)來計(jì)時(shí)。

毫無疑問的是，那時(shí)候的人類，會(huì)把時(shí)間與頭頂上的太陽在空中的位置相對應(yīng)，后來的太陽鐘利用射影的周期性位置關(guān)系來標(biāo)示時(shí)間的思路，跟我們今天的指針手表完全一樣。

二、絕對時(shí)空觀

本文的開篇就提到的《原理》一書，可以說是人類第一次采用科學(xué)的方法開始研究有關(guān)時(shí)間和空間的問題。這之前基本上都是哲學(xué)思考，或者是主觀猜測。

牛頓在其《原理》一書中，使用了數(shù)學(xué)方法，對時(shí)間和空間做了描述。他把空間與歐式幾何相結(jié)合，利用選定的參照物為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，物體就在這樣的坐標(biāo)系構(gòu)成的空間及均勻流逝的時(shí)間之中運(yùn)動(dòng)。

牛頓的三大定律在慣性系中都成立，在勻速直線行駛的火車中打乒乓球，和在地面上打乒乓球的情形是完全一樣的，沒有理由認(rèn)為火車上打乒乓球就比在地面上優(yōu)越。所以說，絕對位置或者說是絕對空間是不存在的。

絕對空間不存在隱含在牛頓定律中，但牛頓以及他的前輩伽利略都相信有絕對的時(shí)間和空間。在他們看來，只要給他們最準(zhǔn)確的時(shí)鐘，不管誰去測量，時(shí)間都是一樣的。這個(gè)階段的時(shí)間和空間是完全分開和獨(dú)立的，與古人經(jīng)驗(yàn)中的時(shí)間和空間觀念是一致的。

絕對時(shí)空觀在200年內(nèi)都沒出什么問題，同時(shí)得益于數(shù)學(xué)的發(fā)展，牛頓力學(xué)也達(dá)到了它所能觸摸到的巔峰。在這個(gè)時(shí)期，科學(xué)家不但利用牛頓力學(xué)來解決地面上物體的運(yùn)動(dòng)問題，更推動(dòng)了天文學(xué)的發(fā)展。太陽系內(nèi)的行星運(yùn)動(dòng)問題基本上得到了解決，并且利用牛頓力學(xué)的計(jì)算還找到了天王星和海王星。

三、相對時(shí)空觀

毫無疑問，牛頓力學(xué)在處理上述問題的時(shí)候都是正確的，然而對于光速的研究，卻給牛頓力學(xué)帶來了一絲裂隙。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在處理以光速或者是接近光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，牛頓力學(xué)是無效的。

早在牛頓發(fā)表《原理》一書的11年前，丹麥天文學(xué)家羅默就已經(jīng)通過觀測木衛(wèi)食的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了光以有限速度運(yùn)動(dòng)，并且羅默還進(jìn)行了光速的測量。

1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋用理論預(yù)言了無線電波或者是光波應(yīng)該以某一個(gè)固定的速度運(yùn)動(dòng)。后來光速不變?yōu)榇罅康挠^測和實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

至此牛頓力學(xué)的絕對時(shí)空觀受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。因?yàn)?，在牛頓力學(xué)中，不存在絕對的靜止，科學(xué)家們必須指出，光速不變究竟是相對于什么參照物來傳播的。

1905年，愛因斯坦橫空出世，在其發(fā)表的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文指出，只要人們愿意放棄絕對時(shí)間觀念的話，就不需要存在這個(gè)絕對靜止的參照物。這就是著名的狹義相對論。

愛因斯坦認(rèn)為，不管觀察者以任何速度運(yùn)動(dòng)，相對于他們來說，科學(xué)定律都是一樣的。這種觀念，對于牛頓運(yùn)動(dòng)定律來說當(dāng)然是正確的。但把這個(gè)簡單的觀念應(yīng)用在光速的時(shí)候就得到了很多匪夷所思的結(jié)論，比如尺縮鐘慢、質(zhì)量和能量等價(jià)。

狹義相對論改變了人類對于時(shí)間的理解。在絕對時(shí)空觀中，因?yàn)闀r(shí)間是絕對的，不同觀察者只要他們的鐘都是最準(zhǔn)確的，他們測量到的時(shí)間就是一致的。而在相對論的時(shí)間觀念中，不同觀察者的時(shí)鐘讀數(shù)沒有必要一致。

時(shí)間在不同參考系中的流逝，滿足洛倫茲變換關(guān)系，這種與不同觀察者的測量有關(guān)的時(shí)間就帶上了主觀的色彩。

1915年，愛因斯坦提出了我們今天稱之為廣義相對論的理論，再次提出了革命性的思想。即物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，引力成為了時(shí)空彎曲的效果。愛因斯坦提出的廣義相對論的驗(yàn)證之一的星光偏折被后來的科學(xué)家們多次觀測，準(zhǔn)確證實(shí)。

廣義相對論的另外一個(gè)預(yù)言是，在大質(zhì)量天體附近，時(shí)間的流逝要更慢一些。這個(gè)預(yù)言也在1962年被驗(yàn)證。

至此，我們可以說，牛頓理論消滅了絕對空間的概念，而愛因斯坦的相對論則擺脫了絕對的時(shí)間觀念。時(shí)間和空間成為了廣義相對論中所描述的四維時(shí)空，時(shí)間和空間不再是各自獨(dú)立的物理量，成為了密不可分的整體。

四、熱力學(xué)時(shí)間方向

可以說，在古代、牛頓時(shí)代、愛因斯坦提出廣義相對論后不久這段相當(dāng)長的時(shí)間中，人們一直都相信，時(shí)間是單向的，一直以來也都沒有任何問題，畢竟誰都沒有回到過過去。

然而在統(tǒng)一相對論和量子力學(xué)的過程中卻遇到了麻煩，科學(xué)家必須引入“虛”時(shí)間的概念，這在數(shù)學(xué)處理上當(dāng)然沒有問題，問題出在，虛時(shí)間不能與空間方向區(qū)分。

在實(shí)的時(shí)間里，我們能往南走，也能掉頭往北走，同樣的，我們在虛時(shí)間里前進(jìn)，也應(yīng)該可以轉(zhuǎn)身向后走，由于虛時(shí)間與空間方向無法區(qū)分，導(dǎo)致在虛時(shí)間中各個(gè)方向都一樣。

然而，我們在現(xiàn)實(shí)中，時(shí)間的前進(jìn)和后退是完全不一樣的，因?yàn)槲覀冇羞^去、現(xiàn)在和將來。從來也沒有人能回到過去，這說明時(shí)間是有方向的。

在生活中，我們能看到的是玻璃杯從桌子上掉下去摔碎了，從來沒有看到過，碎玻璃從地面上跳起來重新組合成一個(gè)杯子。這就是熱力學(xué)第二定律所表達(dá)的，在任何閉合系統(tǒng)中無序度（熵）總是隨時(shí)間的增加而增加。

五、心理學(xué)時(shí)間方向

在心理學(xué)上，時(shí)間的方向就是記憶的方向，你可以記住過去發(fā)生過的事，例如上小學(xué)或者初中時(shí)的某些記憶，但你不能記住未來將要發(fā)生的事，那么時(shí)間的方向就是由過去到未來，單方向不可逆轉(zhuǎn)。

現(xiàn)代腦科學(xué)的研究表明，當(dāng)大腦開始學(xué)習(xí)或者是記憶的時(shí)候，就需要消耗能量，使得腦神經(jīng)元建立對應(yīng)的鏈接。這個(gè)過程，是腦神經(jīng)元從無序到有序的一個(gè)過程，雖然是熵減的過程，消耗的能量卻需要使另外的物質(zhì)的熵增加，并且總體上是熵增的。

換句話說，我們建立記憶依賴于熵的增加，由此可見，我們對于時(shí)間方向的主觀感受或者說是時(shí)間方向來自于熱力學(xué)時(shí)間方向。

六、宇宙學(xué)時(shí)間方向

為什么必須要存在這樣一個(gè)熱力學(xué)時(shí)間方向呢，或者說，我們的時(shí)間有一個(gè)開始的起點(diǎn)，并且單向運(yùn)行呢？換一句更直白的話來說，雖然事物都有變得更加混亂（無序）的趨勢，然而我們看到的宇宙卻是今天這樣高度有序的呢？

以今天的宇宙學(xué)研究來說，并不能知道宇宙膨脹最初的那一刻是個(gè)什么樣子，因?yàn)槟鞘且粋€(gè)奇點(diǎn)。但從宇宙有熵增的趨勢來看，如果預(yù)言，最初的宇宙是一個(gè)非常光滑有序的宇宙，是可以被支持的。因?yàn)檫@樣，就可以讓宇宙學(xué)時(shí)間方向與熱力學(xué)時(shí)間方向相符合。

在使用廣義相對論研究宇宙演化的過程中，科學(xué)家們遇到了困難。這是因?yàn)椋瑳]有人知道宇宙是個(gè)什么形狀，也不知道宇宙最初是個(gè)什么樣子。但從物理學(xué)定律的特點(diǎn)上來看，過去的宇宙邊界條件和歷史必須滿足一定的條件，才能形成滿足今天物理定律的形式。

所以，科學(xué)家們用今天的物理定律判斷過去的歷史和邊界，只能得出：宇宙最初是有限無邊而且是非常光滑平坦的。但是按照量子力學(xué)的描述我們又可以知道，宇宙最初不可能是絕對光滑、有序的，否則就是違背了量子不確定原理。所以，最初的宇宙，必然存在微小的起伏。這就是將量子力學(xué)與廣義相對論相結(jié)合后得到的結(jié)果。

宇宙就是從這樣一個(gè)熵很小的狀態(tài)中開始“膨脹”，形成星系團(tuán)、星系、太陽系、地球以及我們?nèi)祟?。宇宙從高度有序，到變成波浪起伏的無序狀態(tài)，就與熱力學(xué)時(shí)間方向保持一致。

六、時(shí)間的測量

生命從最初誕生以來，就被斗轉(zhuǎn)星移所統(tǒng)治，直到人類進(jìn)入到文明社會(huì)才開始接觸并理解時(shí)間，為了計(jì)時(shí)，人類不斷發(fā)明創(chuàng)造出各種鐘表，不斷提升計(jì)時(shí)的精確度。

從公元前的太陽鐘、10世紀(jì)的漏鐘、14世紀(jì)的機(jī)械鐘、19世紀(jì)的電鐘、20世紀(jì)的原子鐘，21世紀(jì)的電波鐘表，人類對于時(shí)間的測量越來越精準(zhǔn)。

其實(shí)，不管什么樣的測量方式，都是在利用周期性運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性原理來測量時(shí)間。這跟我們用一根做好最小刻度的直尺去測量空間的思路是一樣的，最小刻度越小，能得到的測量精度就越高。

七、時(shí)間測量的本質(zhì)和潛在問題

從我們前面的分析上看，空間和時(shí)間都是物質(zhì)的屬性，而空間和時(shí)間二者又密不可分。對于空間的測量，可以通過把空間與幾何上的點(diǎn)進(jìn)行對應(yīng)的方法形成直觀的概念。

對于時(shí)間，由于其具有單向流逝性的特點(diǎn)，只能假定，周期性運(yùn)動(dòng)的前一個(gè)周期和后一個(gè)周期是等時(shí)的。在所有的時(shí)間測量方案當(dāng)中，都隱含了這個(gè)假設(shè)前提。至今，我們也沒有能力，對于周期性運(yùn)動(dòng)的不同周期之間的時(shí)間片是否真的相等進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證。

同時(shí)，對于回到過去或者是去往將來這種事情，也僅僅停留在理論探討階段，沒有任何一架人造的機(jī)器被證實(shí)可以違背時(shí)間的單向流逝。我想，如果真能造出來這種時(shí)間機(jī)器，其第一個(gè)用途就應(yīng)該是用于驗(yàn)證周期性運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性原理吧。

結(jié)束語

洋洋灑灑四千字，可能很多讀者看到這里仍然覺得還是沒理解什么是時(shí)間，我還是沒說明白。這不奇怪，因?yàn)槟壳翱茖W(xué)還沒有完全理解時(shí)間的概念。如果說必須要給時(shí)間下一個(gè)定義，只能說是運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了時(shí)間，或者說是變化產(chǎn)生了時(shí)間。