自從牛頓發(fā)表《自然哲學的數學原理》以來，人類從此擺脫了巫術的束縛，走上了科學的軌道。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，一去不復返。在時間面前，人類是那樣的孤獨、弱小、無助，無數的哲學家和科學家們?yōu)榇税l(fā)出各種各樣的慨嘆。本文本著科學的精神，與您在科學的范疇之內，談談時間究竟是什么。由于時間和空間密不可分的關系，我們的討論就需要把它們放在一起，同時進行。

一、經驗時空

地球上所有文明最早的計時器都是太陽鐘，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時裝置。很顯然，人類從最早的晝夜變化中感受到了時間的流逝，并開始利用太陽的東升西落來進行計時。

雖然沒有任何史料能夠證實，那時候的人類已經具備了很明確的時空概念，但是很明顯，即使是當時的人類，也是知道利用物體（太陽）在空間中的周期性運動來計時。

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

二、絕對時空觀

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的方法開始研究有關時間和空間的問題。這之前基本上都是哲學思考，或者是主觀猜測。

牛頓在其《原理》一書中，使用了數學方法，對時間和空間做了描述。他把空間與歐式幾何相結合，利用選定的參照物為原點建立三維坐標系，物體就在這樣的坐標系構成的空間及均勻流逝的時間之中運動。

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間和空間。在他們看來，只要給他們最準確的時鐘，不管誰去測量，時間都是一樣的。這個階段的時間和空間是完全分開和獨立的，與古人經驗中的時間和空間觀念是一致的。

絕對時空觀在200年內都沒出什么問題，同時得益于數學的發(fā)展，牛頓力學也達到了它所能觸摸到的巔峰。在這個時期，科學家不但利用牛頓力學來解決地面上物體的運動問題，更推動了天文學的發(fā)展。太陽系內的行星運動問題基本上得到了解決，并且利用牛頓力學的計算還找到了天王星和海王星。

三、相對時空觀

毫無疑問，牛頓力學在處理上述問題的時候都是正確的，然而對于光速的研究，卻給牛頓力學帶來了一絲裂隙?？茖W家們發(fā)現，在處理以光速或者是接近光速運動的物體時，牛頓力學是無效的。

早在牛頓發(fā)表《原理》一書的11年前，丹麥天文學家羅默就已經通過觀測木衛(wèi)食的現象發(fā)現了光以有限速度運動，并且羅默還進行了光速的測量。

1865年，英國物理學家麥克斯韋用理論預言了無線電波或者是光波應該以某一個固定的速度運動。后來光速不變?yōu)榇罅康挠^測和實驗所證實。

至此牛頓力學的絕對時空觀受到了嚴重的挑戰(zhàn)。因為，在牛頓力學中，不存在絕對的靜止，科學家們必須指出，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《論動體的電動力學》一文指出，只要人們愿意放棄絕對時間觀念的話，就不需要存在這個絕對靜止的參照物。這就是著名的狹義相對論。

愛因斯坦認為，不管觀察者以任何速度運動，相對于他們來說，科學定律都是一樣的。這種觀念，對于牛頓運動定律來說當然是正確的。但把這個簡單的觀念應用在光速的時候就得到了很多匪夷所思的結論，比如尺縮鐘慢、質量和能量等價。

狹義相對論改變了人類對于時間的理解。在絕對時空觀中，因為時間是絕對的，不同觀察者只要他們的鐘都是最準確的，他們測量到的時間就是一致的。而在相對論的時間觀念中，不同觀察者的時鐘讀數沒有必要一致。

時間在不同參考系中的流逝，滿足洛倫茲變換關系，這種與不同觀察者的測量有關的時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。即物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動，引力成為了時空彎曲的效果。愛因斯坦提出的廣義相對論的驗證之一的星光偏折被后來的科學家們多次觀測，準確證實。

廣義相對論的另外一個預言是，在大質量天體附近，時間的流逝要更慢一些。這個預言也在1962年被驗證。

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間觀念。時間和空間成為了廣義相對論中所描述的四維時空，時間和空間不再是各自獨立的物理量，成為了密不可分的整體。

四、熱力學時間方向

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

然而在統一相對論和量子力學的過程中卻遇到了麻煩，科學家必須引入“虛”時間的概念，這在數學處理上當然沒有問題，問題出在，虛時間不能與空間方向區(qū)分。

在實的時間里，我們能往南走，也能掉頭往北走，同樣的，我們在虛時間里前進，也應該可以轉身向后走，由于虛時間與空間方向無法區(qū)分，導致在虛時間中各個方向都一樣。

然而，我們在現實中，時間的前進和后退是完全不一樣的，因為我們有過去、現在和將來。從來也沒有人能回到過去，這說明時間是有方向的。

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杯子。這就是熱力學第二定律所表達的，在任何閉合系統中無序度（熵）總是隨時間的增加而增加。

五、心理學時間方向

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

現代腦科學的研究表明，當大腦開始學習或者是記憶的時候，就需要消耗能量，使得腦神經元建立對應的鏈接。這個過程，是腦神經元從無序到有序的一個過程，雖然是熵減的過程，消耗的能量卻需要使另外的物質的熵增加，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，我們對于時間方向的主觀感受或者說是時間方向來自于熱力學時間方向。

六、宇宙學時間方向

為什么必須要存在這樣一個熱力學時間方向呢，或者說，我們的時間有一個開始的起點，并且單向運行呢？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？

以今天的宇宙學研究來說，并不能知道宇宙膨脹最初的那一刻是個什么樣子，因為那是一個奇點。但從宇宙有熵增的趨勢來看，如果預言，最初的宇宙是一個非常光滑有序的宇宙，是可以被支持的。因為這樣，就可以讓宇宙學時間方向與熱力學時間方向相符合。

在使用廣義相對論研究宇宙演化的過程中，科學家們遇到了困難。這是因為，沒有人知道宇宙是個什么形狀，也不知道宇宙最初是個什么樣子。但從物理學定律的特點上來看，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。這就是將量子力學與廣義相對論相結合后得到的結果。

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

六、時間的測量

生命從最初誕生以來，就被斗轉星移所統治，直到人類進入到文明社會才開始接觸并理解時間，為了計時，人類不斷發(fā)明創(chuàng)造出各種鐘表，不斷提升計時的精確度。

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

其實，不管什么樣的測量方式，都是在利用周期性運動的等時性原理來測量時間。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、時間測量的本質和潛在問題

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

對于時間，由于其具有單向流逝性的特點，只能假定，周期性運動的前一個周期和后一個周期是等時的。在所有的時間測量方案當中，都隱含了這個假設前提。至今，我們也沒有能力，對于周期性運動的不同周期之間的時間片是否真的相等進行嚴格的驗證。

同時，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器被證實可以違背時間的單向流逝。我想，如果真能造出來這種時間機器，其第一個用途就應該是用于驗證周期性運動的等時性原理吧。

結束語

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間，我還是沒說明白。這不奇怪，因為目前科學還沒有完全理解時間的概念。如果說必須要給時間下一個定義，只能說是運動產生了時間，或者說是變化產生了時間。