時間到底是什麼
時間在直觀上是明顯的，但在邏輯上很難確定。它猶如奔騰的江河，川流不息，一往無前，但又像相對論所描述的那樣玄妙不可思議。
時間的這種奇怪特性驅使古往今來的許多人對它作出了種種推斷和猜測，在差不多每一個時代，哲學家和自然科學家都曾反複思考過它謎一般的性質。宗教信仰和科學態度堅定的兩種人，都曾力圖解釋時間究竟是什麼，以及它走向何方。
人們思索的重點集中在這樣三個基本問題上：時間的本質是什麼，時間的箭頭指向何方，它有無開頭和終結?
在這些問題中，有的已經為人們所了解，有的至今還沒有令人滿意的答案。也許根本不存在這樣的答案。但是，這類問題的提出，以及對於它們的答案的探求，卻不是沒有意義的，它可以使我們有機會更多地揭示時間和人類所生存的宇宙的特點。
時間不會倒流的證明
我們都熟悉“光陰似箭”、“時不待我”這樣的語句。它似乎意味著時間以一定的速度在流馳。我們也常有這樣感受，一天“匆匆地過去了”。然而細究起來，這種概念又沒有什麼實際意義，因為時間究竟怎樣流動，它流動的速度有多快，是秒分之一秒嗎?
運動和行進要求有某種固定的時間框架來測量它們的進程。對於通過空間的運動來說，我們以時間作框架，但是，說到通過時間的運動，我們該用什麼作框架呢?
我們僅知道，自然界中宏觀運動過程(大尺度範圍內的運動過程)都是單向的，人們不可能在電視台未發播節目之前收看到它的圖像。
在日常生活中，我們看到的大多數過程也是單向的，人由少及老，房屋從新到舊，山嶽被分化侵蝕，恒星慢慢耗散能源，宇宙不斷膨脹……我們從未見過相反的過程，譬如說，房屋自動聚攏，河水倒上山。
這些事實表明，不論在地球上還是在空間規模上，宇宙中都存在著一個時間方向：它單向向前，永不倒流。
但是在古代，人們曾經幻想過時間倒流。他們祈望有一種靈丹妙藥，人吃了以後可以長生不老，甚至返老還童。這在我國古代神話傳說中是屢見不鮮的。外國文學作品中也有類似描述。
然而常識告訴我們，時間不會倒轉!要時間倒轉如同讓時間停滯不動一樣，都是幻想。
水壺裏的水沸騰了，這隻能是在我們把它放到火爐上加熱之後，決不會是在此之前。蘋果成熟隻能在果樹開花之後。人都將隨時間推移而變老，越活越年輕的事是沒有的。這些都是老幼皆知的常識。
但是，常識往往並非全是真理。你怎樣證明這種常識是可靠的呢?
證據是有的，熱量轉換就是一例。
如果我們把一塊冰放到一杯水裏，冰塊將吸收水和杯子的熱量而溶解，水和杯子由於給出了它們的一部分熱量而變冷。假如我們把這一過程拍成電影，並按相反方向重新放出，我們將會看到，當一部分水變熱時，另一部分水就結成冰。這意味著，熱量隻能從較熱的物體向較冷物體流動，不會倒轉過來。
大約在一個多世紀以前，物理學家克勞修斯就把這類現象總結成為熱力學第二定律。它說明能量特別是熱能的流動總是沿著一個方向進行的。能量可以被儲存起來，但它有耗散趨勢。熱力學第二定律處理的是物理學中最基本的概念之——熵。雖然克勞修斯本人沒有把熵的原理應用於時間，但後來的許多物理學家這樣做了。他們發現，熱能流動和時間流動是同時發生的，從而證明了時間箭頭的單向性。
然而，時間為什麼隻能單向流動?
有些物理學家認為，時間的單向性是破壞次序的一種趨勢，宇宙每天都在稍稍變得更加無序。
上一個世紀末，奧地利物理學家玻爾茲曼用簡單的實驗研究了無序性演變過程。該實驗隻需要3隻大口瓶子，40張有數字的紙牌和40個標有數碼的小球。
實驗開始時，所有紙牌都放在第一隻瓶子裏，所有小球都放在第二隻瓶子裏，第三隻瓶子是空的。隨意從第一隻瓶子裏抽出一張紙牌，並把與它數字相同的小球從第二隻瓶子轉移到第三隻瓶子裏，然後把紙牌放回第一隻瓶子。重複做下去。每一次，要麼是小球從第二隻瓶子轉移到第三隻瓶子裏，要麼是反過來，小球由第三隻瓶子轉移到第二隻瓶子裏。大概經過25次以後，兩個瓶子裏的小球數就近於相等。玻爾茲曼指出，隻要抽出紙牌是隨機的，有序必然會讓位於無序。他由此認為他解開了時間單向性之謎。
但是我們知道，所謂有序——無序趨勢並不是一條嚴格的定律，它隻是一個概率和統計學問題。問題的要害不在於有序無序過程本身，而在於一開始是怎樣達到有序狀態的。為什麼宇宙的趨勢是從有序變為無序，而物質和能量卻有很高的有序性?
玻爾茲曼對此作了多少有點俏皮地回答。他說，之所以有現在這種有序排列，是因為宇宙中發生過一次罕見的巨大波動，使它擺脫了極有可能的混亂狀態——這純粹是一種運氣!
玻爾茲曼把自己的結論歸功於“機遇”，這就等於宣布他並沒有解開時間單向性之謎。
時間在宏觀上的單向流動(亦稱不可逆性)是人類已經觀察到的事實。如何解釋這種現象，到目前為止還沒有結論。人們可以而且應該利用擴大了的視界和最新科學成果繼續研究它，這是合理的。但近幾十年來，有些人又從廣義相對論時空彎曲這一特定條件下的物理現象出發，引出時間可以循環的結論來。這無異於說時間能夠倒流!他們認為，時空彎曲理論蘊育著一種新的可能性，時間這條線將會閉合成圓或其他某種更為複雜的曲線。這樣，時間便能沿這條閉合曲線流動，今天可以流向明天，也可以倒回到昨天。他們說，隻要宇宙的形狀受到某種約束，譬如說不斷地給自己“旋緊發條”，它就有可能回複過去的狀態，一切單向過程就能逆轉，時間也就可以倒流。
那麼宇宙將以什麼方式不斷給自己“旋緊發條”呢?隻有靠上帝和神靈!這樣一來，時間循環論者就又回到中世紀神創論哲學觀點上去了。
時間與運動的亞裏士多德悖論
世界上第一個試圖從物理學角度確定時間和運動關係的人，大概是古希臘的思想家亞裏士多德。
亞裏士多德生活在公元前4世紀，相當於我國的戰國時代。他寫過一本名叫《形而上學》的書。在這本書中，他宣布：“隻有當我們已經把握住運動時，我們才能領悟到時間。”但是他又加了一句：“我們不僅用時間來測量運動，也用運動來測量時間，因為它們是相互定義的。”
如果說，亞裏士多德接近正確地描述了時間和運動的部分關係的話，那麼在解釋運動的性質和成因時，他的看法就成為悖論了。
亞裏士多德從自然界中表麵“事實”出發，認為任何運動物體都具有趨向靜止的自然趨勢。一塊拋起的石頭會很快由滾動而變為靜止，馬不拉馬車，馬車就停下不動。亞裏士多德由此引出了自己的理論：運動速度直接正比於產生運動的力。一架由兩匹馬拉的馬車，“自然”要比由一匹馬拉的馬車快兩倍；一塊十千克重的石頭落下時的速度，“自然”要比五千克重的石頭落下時的速度快兩倍。
這就是亞裏士多德關於運動性質的描述。
然而，運動是怎樣產生的?亞裏士多德認為，自然界中沒有任何東西能自己運動，一個物體的運動必須有另一物體來推動它。他說：“假使一個運動由於另一個物體所推動，後者的運動勢必還由其他一個運動所推動。如果無限地推論下去，是不可能得出結果的。每一個運動的最初運動必須歸因於一個在天上運動的神靈之體。”
這樣，亞裏士多德就第一個把神靈作為不由他物所推動的第一推動者而引進了物理學，從而也把神靈的作用賦予了時間，因為時間和運動“是相互定義的”。
在中世紀宗教神學崩潰以後，亞裏士多德關於運動、時間以及其他許多問題的錯誤觀點，仍然統治科學界達幾百年之久。
大約到13世紀以後，科學家才比較準確地定義了什麼是速度。他們說，一個物體的運動指它在空間中位置的簡單變化，速度就是在給定的時間裏，物體位置變化了多少。直到今天，我們仍然沿用這種方式來表示速度，即每秒多少米或每小時多少千米。
但是，真正打破亞裏士多德悖論的還是伽利略。
我們在本書中不止一次地提到伽利略。他是一位偉大的天文學家，第一個發明了望遠鏡，擴大了人們的視界，同時他也是一位著名的物理學家。有關他的坎坷一生的記載已被拍成電影搬上銀幕，同千百萬觀眾見麵。
伽利略尖銳地指出：“物體愈重，下落愈快”這一論斷在邏輯上是矛盾的。如果一個重物和一個輕物同時下落，時間分別為t1和t2，而把這兩個物體捆在一起，它們下落的時間t該是多少?按照亞裏士多德的看法，將會有兩種答案：
(1)重物帶動輕物落得快，輕物影響重物落得慢，因而t1＜t＜t2；
(2)兩物體捆在一起，必重於單個物體，其下落時間必然是t＜t1＜t2。
這兩個結果相互矛盾。因此，伽利略認為亞裏士多德的論斷不能成立。
據傳，伽利略當時還在比薩斜塔上作過落體實驗，以證明亞裏士多德理論的錯誤。不管這個故事是否真實(科學史家們對此一直持有異議)，重要的是，這個天才的意大利人真正測定了運動物體的時間。他在不同長度的斜麵上滾下金屬小球，同時把漏刻滴下的水收集在杯子裏，稱出這些水的重量，從而測定了小球從不同斜麵滾下時所經曆的時間。
伽利略根據這些實驗進一步指出，單有速度——位置隨時間的變化——不足以定義運動，還必須考慮速度隨時間的變化，這就是加速度。
在這裏，伽利略隻是提出了問題，但沒有做出理論上的發現。加速度概念的建立是後來由牛頓完成的。
牛頓的“絕對時間”觀念
牛頓比伽利略又前進了一步。牛頓認為，同亞裏士多德的“理論”恰恰相反，如果沒有什麼別的東西阻止，運動著的物體決不會靜止。下落的石頭所以會落到地麵不動，是因為受到地球的阻止；馬車所以停下不走，是由於車輪同路麵之間有摩擦力。在一條光滑水平的路麵上，具有無摩擦軸承的馬車，將會一直滾動下去。因此，牛頓指出，力對於物體的作用，隻是使它的運動速度隨時間發生變化。這個變化的量稱為加速度，它正比於作用力的大小。這就是牛頓運動學第二定律。用熟知的公式表示就是：
F=ma
這裏F為作用力，m和a分別為受力物體的質量和加速度。
牛頓的運動定律，連同他在1684年導出的萬有引力定律，奠定了經典物理學的基礎，對當時和後來的自然科學的發展都有很大影響，直到今天仍被廣泛應用，繼續發揮著巨大作用。
但是，應該看到，牛頓定律是以這樣的概念為基礎的：用以測量運動的時間是一種均勻流逝的“絕對時間”。
什麼叫絕對時間?牛頓在其1687年發表的《自然哲學的數學原理》一書中給出了如下定義：
“絕對的、真實的數學時間，就其自身及其本質而言，是永遠均勻流動的，它不依賴於任何外界事物。”
牛頓的這種觀點歪曲了時間與運動的關係，在他自己的理論係統內也是自相矛盾的。因為他已經承認運動不是絕對的。既然如此，你怎麼測量或覺察出絕對時間呢?
牛頓爭辯說他能夠做到這一點。他說他能借助於其他形式的運動來證明絕對時間的存在，這就是旋轉運動。他認為，旋轉運動是絕對的。牛頓當初舉了這樣一個例子：如果把一隻水桶吊在卷曲的繩索上，使它向繩索解開的方向旋轉，水麵會沿水桶邊緣上升，並形成凹形。旋轉越快，水麵上升越高。這就是有名的“水桶實驗”。牛頓說，水麵的這種升高就是一種絕對運動，它在原理上就證明了絕對時間的存在，並為測量絕對時間提供了方法。
牛頓的辯解顯然是站不住腳的。因為水桶是在空間中旋轉的，它必然是相對於宇宙中某個其他物體而言的，因而也就不是絕對的。但是牛頓又說，“如果在真空中旋轉，它仍將給出同樣結果。”然而牛頓在生前沒有、後來的物理學家也沒有拿出任何實驗證據，證明水桶在宇宙中的旋轉是絕對的。事實上，這種證據是永遠也找不到的!
盡管如此，牛頓仍然堅持自己的觀點。他認為，從原則上講，應該有一種理想的時間尺度——絕對時間，它能夠獨立存在而與任何特定事件和過程無關。
牛頓的這種觀點遭到了與他同時代的數學家萊布尼茲的反對。萊布尼茲認為，同時間相比，事件要更為基本，那種認為沒有事件時間也會存在的觀點是荒謬的。在他看來，時間是從事件引出來的，所有同時性事件構成了宇宙的一個階段，而這些階段就像昨天、今天和明天一樣一個緊接著一個。萊布尼茲的這種相對時間的理論，在今天看來似乎比牛頓理論更能為人接受，因為它更符合現代物理學的發展。
但是，牛頓的觀點在18世紀和19世紀仍然居於統治地位。因為它得到教會的支持。牛頓本人在給教會的一封信中就這樣說過：“用這些原理也許能使深思熟慮的人們相信上帝的存在。”因此，牛頓的絕對時間理論在當時被謳歌成整個宇宙的絕對真理。直至本世紀初，人們還普遍認為存在著一個獨一無二的、普遍適用的、不依賴於任何其他事物的時間體係。正因為這樣，當愛因斯坦在1905年發現了時間理論中一個從未有人懷疑過的漏洞，從而推翻了這些假說以及基於這些假說的整個時間哲學時，物理學經受了一場地震。
這個漏洞就是狹義相對論揭示的時間的相對性理論。
時間的相對性
還在學生時代，愛因斯坦就在思考這樣一個令人困惑的問題：假如他以光的速度穿過以太旅行，他將看到一些什麼呢?按照運動的相對性原理，這時光束應該相當於靜止空間中振蕩的電磁場，但這種觀點同麥克斯韋理論不符。於是愛因斯坦開始猜想，力學定律以及包括光的傳播在內的其他物理學定律，對於以不同速度運動的觀測者必然具有相同的形式。他認為，相對性原理不僅能應用於力學現象，而且同樣也能應用於光學和電磁學現象。光速不但對於相對靜止的觀測者是相同的，對於那些處於相對勻速運動中的觀測者也是相同的。邁克耳遜莫雷實驗的零結果是“正確的”，因為：第一，不存在以太；第二，光速不變。
愛因斯坦接著便以這兩條結論為前提，推廣了伽利略的相對性原理，建立了自己的、更加普遍的新理論——狹義相對論。所謂“狹義”，指它僅限於勻速運動的場合。
狹義相對論指出，不管是力學現象，還是光學和電磁學現象，它們所遵循的規律都與慣性係的運動狀態無關。
這樣，愛因斯坦就完滿地解決了麥克斯韋的電磁波理論和建立在牛頓力學定律基礎上的物理學其他部分之間的矛盾，從而開創了物理學的一個新時代。
狹義相對論發表於1905年，論文的題目叫“論動體的電動力學”。從這篇文章我們看到，愛因斯坦是通過分析時間概念來解決問題的，也是在“同時性的相對性”這個問題上取得突破的。他醒悟到時間的可疑，認為時間不能絕對定義，並且指出，對於時間的測量決定於人們對“同時性”的認識。也就是說，對時間間隔的測量必然涉及對同時性的判斷，即一個事件和另一個事件在時間上的吻合。他在“論動體的電動力學”一文中對這一點有一段精彩的表述：
“如果我們要描述一個質點的運動，我們就以時間的函數來給出它的坐標值。現在我們必須記住，這樣的數學描述，隻有在我們十分清楚地懂得‘時間’在這裏指的是什麼之後才有物理意義。我們應當考慮到：凡是時間在裏麵起作用的我們的一切判斷，總是關於同時的事件的判斷。比如我說，‘那列火車7點鍾到達這裏’，這大概是說：‘我的表的短針指到7同火車的到達是同時的事件。’”
可能有人認為，用“我的表的短針的位置”來代替“時間”，也許就有可能克服由於定義“時間”而帶來的一切困難。事實上，如果問題隻是在於為這隻表所在的地點來定義一種時間，那麼這樣一種定義就已經足夠了。但是，如果問題是要把發生在不同地點的一係列事件在時間上聯係起來，或者說——其結果依然一樣——要定出那些在遠離這隻表的地點所發生的事件的時間，那麼這樣的定義就不夠了。
愛因斯坦認識到，時間與信號速度之間有不可分的聯係，不同距離處的兩事件的同時性，與事件的相對位置以及觀測者借以感知它們的聯係方式有關。如果事件的距離和把它與觀測者聯係起來的信號的速度是已知的，觀測者便可計算出該事件發生的時間，並把它和自己先前經曆過的某一時刻對應起來。這種計算對於不同的觀測者是不同的。但是，在愛因斯坦提出這個問題以前，人們卻一直信守這樣一個原則：事件被感知的時間隻取決於它發生的時間，它對於所有的觀測者都是一樣的。愛因斯坦指出，上述原則基於這樣一個前提，即如果所有觀測者的計算都正確無誤，他們對於同一給定事件應該得到相同的時間。然而，愛因斯坦令人信服地證明，這一前提一般並不成立。他發現，處於勻速相對運動中的不同觀測者，對於同一事件一般總會測出不同的時間。如果兩隻時鍾相互之間處於勻速相對運動之中，則它們將保持不同的時間，你無法說哪個鍾是“準”的。運動的時鍾總比相對靜止的時鍾要變慢。對於我們日常遇到的運動速度，這一效應可以忽略，但當時鍾運動的速度愈接近光速，時鍾變慢的效應就愈益顯著。