时间究竟是什么，科学家们怎么看？

自从牛顿发表《自然哲学的数学原理》以来，人类从此摆脱了巫术的束缚，走上了科学的轨道。如今，可以说几乎所有的东西都可以被人类抓住，比如用电磁场可以束缚住核聚变的能量，这就是人工核聚变；用晶体甚至可以困住光。 时间依旧如几千年前，文明诞生初期那样，如出膛的子弹，一去不复返。在时间面前，人类是那样的孤独、弱小、无助，无数的哲学家和科学家们为此发出各种各样的慨叹。本文着科学的精神，与您在科学的范畴之内，谈谈时间究竟是什么。由于时间和空间密不可分的关系，我们的讨论就需要把它们放在一起，同时进行。   一、经验时空 地球上所有文明最早的计时器都是太阳钟，其中包括利用太阳射影的长短来判断日中时间、定四季和辨的叫做圭表；另一种是利用太阳摄影的方向来判断时间的，叫做日晷。 由于这两种装置在阴天和夜间都不能使用，所以后来人类发明了沙漏和水漏这种最原始的计时装置。很显然，人类从最早的昼夜变化中感受到了时间的流逝，并开始利用太阳的东升西落来进行计时。 虽然没有任何史料能够证实，那时候的人类已经具备了很明确的时空概念，但是很明显，即使是当时的人类，也是知道利用物体（太阳）在空间中的周期性运动来计时。 毫无疑问的是，那时候的人类，会把时间与头顶上的太阳在空中的位置相对应，后来的太阳钟利用射影的周期性位置关系来标示时间的思路，跟我们今天的指针手表完全一样。   二、绝对时空观 我在本文的开篇就提到了牛顿发表的《原理》一书，可以说这本书是人类第一次采用科学的方法开始研究有关时间和空间的问题。这之前基本上都是哲学思考，或者是主观猜测。 牛顿在其《原理》一书中，使用了数学方法，对时间和空间做了描述。他把空间与欧式几何相结合，利用选定的参照物为原点建立三维坐标系，物体就在这样的坐标系构成的空间及均匀流逝的时间之中运动。 牛顿的三大定律在惯性系中都成立，在匀速直线行驶的火车中打乒乓球，和在地面上打乒乓球的情形是完全一样的，没有理由认为火车上打乒乓球就比在地面上优越。所以说，绝对位置或者说是绝对空间是不存在的。   绝对空间不存在隐含在牛顿定律中，但牛顿以及他的前辈伽利略都相信有绝对的时间和空间。在他们看来，只要给他们最准确的时钟，不管谁去测量，时间都是一样的。这个阶段的时间和空间是完全分开和独立的，与古人经验中的时间和空间观念是一致的。 牛顿的绝对时空观在200年内都没出什么问题，同时得益于数学的发展，牛顿力学也达到了它所能触摸到的巅峰。在这个时期，科学家不但利用牛顿力学来解决地面上物体的运动问题，更推动了天文学的发展。太阳系内的行星运动问题基本上得到了解决，并且利用牛顿力学的计算还找到了天王星和海王星。   三、相对时空观 毫无疑问，牛顿力学在处理上诉问题的时候都是正确的，然而对于光速的研究，却给牛顿力学带来了一丝裂隙。科学家们发现，在处理以光速或者是接近光速运动的物体时，牛顿力学是无效的。 早在牛顿发表《原理》一书的11年前，丹麦天文学家罗默就已经通过观测木卫食的现象发现了光以有限速度运动，并且罗默还进行了光速的测量。 1865年，英国物理学家麦克斯韦用理论预言了无线电波或者是光波应该以某一个固定的速度运动。后来光速不变为大量的观测和实验所证实。 至此牛顿力学的绝对时空观受到了严重的挑战。因为，在牛顿力学中，不存在绝对的静止，科学家们必须指出，光速不变究竟是相对于什么参照物来传播的。   1905年，爱因斯坦横空出世，在其发表的《论动体的电动力学》一文指出，只要人们愿意放弃绝对时间观念的话，就不需要存在这个绝对静止的参照物。这就是著名的狭义相对论。 爱因斯坦认为，不管观察者以任何速度运动，相对于他们来说，科学定律都是一样的。这种观念，对于牛顿运动定律来说当然是正确的。但把这个简单的观念应用在光速的时候就得到了很多匪夷所思的结论，比如尺缩钟慢、质量和能量等价。 狭义相对论改变了人类对于时间的理解。在绝对时空观中，因为时间是绝对的，不同观察者只要他们的钟都是最准确的，他们测量到的时间就中是一致的。而在相对论的时间观念中，不同观察者的时钟读数没有必要一致。 时钟在不同参考系中的流逝，满足洛伦兹变换关系，这种与不同观察者的测量有关的时间就带上了主观的色彩。   1915年，爱因斯坦提出了我们今天称之为广义相对论的理论，再次提出了革命性的思想。即物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动，引力成为了时空弯曲的效果。爱因斯坦提出的广义相对论的验证之一的星光偏折被后来的科学家们多次观测，准确证实。 广义相对论的另外一个预言是，在大质量天体附近，时间的流逝要更慢一些。这个预言也在1962年被验证。 至此，我们可以说，牛顿理论消灭了绝对空间的概念，而爱因斯坦的相对论则摆脱了绝对的时间观念。时间和空间成为了广义相对论中所描述的四维时空，时间和空间不再是各自独立的物理量，成为了密不可分的整体。   四、热力学时间方向 可以说，在古代、牛顿时代、爱因斯坦提出广义相对论后不久这段相当长的时间中，人们一直都相信，时间是单向的，一直以来也都没有任何问题，毕竟谁都没有回到过过去。 然而在统一相对论和量子力学的过程中却遇到了麻烦，科学家必须引入“虚”时间的概念，这在数学处理上当然没有问题，问题出在，虚时间不能与空间方向区分。 在实的时间里，我们能往南走，也能掉头往北走，同样的，我们在虚时间里前进，也应该可以转身向后走，由于虚时间与空间方向无法区分，导致在虚时间中各个方向都一样。   然而，我们在现实中，时间的前进和后退是完全不一样的，因为我们有过去、现在和将来。从来也没有人能回到过去，这说明时间是有方向的。 在生活中，我们能看到的是玻璃杯从桌子上掉下去摔碎了，从来没有看到过，碎玻璃从地面上跳起来重新组合成一个杯子。这就是热力学第二定律所表达的，在任何闭合系统中无序度（熵）总是随时间的增加而增加。   五、心理学时间方向 在心理学上，时间的方向就是记忆的方向，你可以记住过去发生过的事，例如上小学或者初中时的某些记忆，但你不能记住未来将要发生的事，那么时间的方向就是由过去到未来，单方向不可逆转。 现代脑科学的研究表明，当我们的大脑开始学习或者是记忆的时候，就需要消耗能量，使得我们的脑神经元建立对应的链接。这个过程，使我们的脑神经元从无序到有序的一个过程，这个过程虽然是熵减的过程，但是我们消耗的能量却需要使另外的物质的熵增加，并且总体上是熵增的。 换句话说，我们建立记忆依赖于熵的增加，由此可见，我们对于时间方向的主观感受或者说是时间方向来自于热力学的时间方向。   六、宇宙学时间方向 为什么必须要存在这样一个热力学时间方向呢，或者说，我们的时间有一个开始的起点，并且单向运行呢？换一句更直白的话来说，虽然事物都有变得更加混乱（无序）的趋势，然而我们看到的宇宙却是今天这样高度有序的呢？ 以今天的宇宙学研究来说，并不能知道宇宙膨胀最初的那一刻是个什么样子，因为那是一个奇点。但从宇宙有熵增的趋势来看，如果预言，最初的宇宙是一个非常光滑有序的宇宙，是可以被支持的。因为这样，就可以让宇宙学时间方向与热力学时间方向相符合。 在使用广义相对论研究宇宙演化的过程中，科学家们遇到了困难。这是因为，没有人知道宇宙是个什么形状，也不知道宇宙最初是个什么样子。但从物理学定律的特点上来看，过去的宇宙边界条件和历史必须满足一定的条件，才能形成满足今天物理定律的形式。   所以，科学家们用今天的物理定律判断过去的历史和边界，只能得出：宇宙有限无边而且是非常光滑平坦的。但是按照量子力学的描述我们又可以知道，宇宙最初不可能是绝对光滑、有序的，否则就是违背了量子不确定原理。所以，最初的宇宙，必然存在微小的起伏。这就是将量子力学与广义相对论相结合后得到的结果。 宇宙就是从这样一个熵很小的状态中开始“膨胀”，形成星系团、星系、太阳系、地球以及我们人类。宇宙从高度有序，到变成波浪起伏的无序状态，就与热力学时间方向保持一致。   六、时间的测量 生命从最初诞生以来，就被斗转星移所统治，直到人类进入到文明社会才开始接触并理解时间，为了计时，人类不断发明创造出各种钟表，不断提升计时的精确度。 从公元前的太阳钟、10世纪的漏钟、14世纪的机械钟、19世纪的电钟、20世纪的原子钟，21世纪的电波钟表，人类对于时间的测量越来越精准。 其实，不管什么样的测量方式，都是在利用周期性运动的等时性原理来测量时间。这跟我们用一根做好最小刻度的直尺去测量空间的思路是一样的，最小刻度越小，能得到的测量精度就越高。   七、时间测量的本质和潜在问题 从我们前面的分析上看，空间和时间都是物质的属性，而空间和时间二者又密不可分。对于空间的测量，可以通过把空间与几何上的点进行对应的方法形成直观的概念。 对于时间，由于其具有单向流逝性的特点，只能假定，周期性运动的前一个周期和后一个周期是等时的。在所有的时间测量方案当中，都隐含了这个假设前提。至今，我们也没有能力，对于周期性运动的不同周期之间的时间是否相真的相等进行严格的验证。 同时，对于回到过去或者是去往将来这种事情，也仅仅停留在理论探讨阶段，没有任何一架人造的机器被证实可以违背时间的单向流逝。如果真能造出来这种时间机器，其第一个用途就应该是用于验证周期性运动的等时性原理吧。   结束语 洋洋洒洒四千字，可能很多读者看到这里仍然觉得还是没理解什么是时间，我还是没说明白。这不奇怪，因为目前科学还没有完全理解时间的概念。如果说必须要给时间下一个定义，只能说是运动产生了时间，或者说是变化产生了时间。