互动科普

过去的往事已成定局，未来的前景难以捉摸，只有眼下是最真实的——从远古到今天以至将来，时间似乎就是这样无情地流动着。但这只不过是幻觉而已。

“时间虽古老，健步仍如飞。汝等欲采花，行动须从速。”

这是17世纪英国著名的诗人罗伯特·赫里克(RobertHerrick)所写的诗句，描述了一条古老的道理:光阴似箭，日月如梭。谁能怀疑时间在飞呢?人们用"逝者如斯夫"来形容时间的流逝，这或许是人类最基本的一种感觉，因为我们是通过内心最深处的自我来体验时间的流动，它比我们对其它事物(如空间或物质)的体验要深刻得多。人们把时间比作飞箭或流水，它毫不留情地推着我们从过去走向未来。莎士比亚曾感叹"时运变迁，沧海桑田"，而与他同时代的诗人马维尔(Andrew Marvel)也写过"时间如飞车，来去何匆匆"的句子。

这些说法或许很能打动人，但它们却与一个极其深刻又令人一筹莫展的怪论相悖。已知的物理学理论中找不到与时间的推移相应的概念。事实上，物理学家认定，时间根本就没有流动，只是存在而已。有的哲学家认为，时间推移这个概念本身纯属无稽之谈，而关于时间之间或时间变迁之类的说法也是源于对时间的误解。时间的推移本来是人们体验外部世界的最基本要素，到头来却被认为是一种错觉，这怎么可能呢? 时间是否有某种关键的特性尚未被科学家认识到呢？

时间并非本质

在日常生活中，我们把时间划分为三个部分:过去、现在与未来。语言的语法结构就是以这个根本的特征为中心。现实与当前这一刻紧密相连。过去在我们的眼中已不复存在，而将来则更是模糊不清，其细节尚未充分展开。按照这种简化的描述，我们自觉意识到的"现在"总是不断地向前推进，把一度仅存在于遥远模糊的将来中的事件拉到眼前，使其成为活生生的但转瞬即逝的现实，而后又把它们推到已成定局的过去。

这样简单的描述看起来是再明显不过了，但它却与现代物理学完全矛盾。阿尔伯特-爱因斯坦在给一位朋友写信时曾以一段著名的话表达了这种观点"过去、现在和未来只是幻觉，尽管是一些极难消除的幻觉。"爱因斯坦这一惊世骇俗的论断直接源于他的狭义相对论，该理论认为"现在"的概念并不存在任何绝对的、普遍的意义。根据狭义相对论来讲，“同时”只是相对的。从某一参照系观测时发生在同一时刻的两个事件，如果从另一参照系来观测，就可能发生在不同的时刻。

诸如“火星上现在有什么情况?”之类再平凡不过的问题并不存在确定的答案。关键在于地球与火星相距很远(最远时为20光分左右)。由于信息传播的速度不可能比光速快，因此地球上的观测者无法同步地获知火星上的情况。他只有在火星上的事件发生之后，光得以穿越两大行星之间的空间而到达地球时，推断出上述问题的答案。推断出的过去事件随观测者速度的不同而不同。

例如，在未来的一次载人火星探险中，地球上的飞行控制员可能会问：“不知现在指挥官琼斯在阿尔法基地干什么呢?”于是他们看了看钟表，现在是火星上的正午12点，因此他们对这个问题的回答可能是“在吃午饭”。但是在同一时刻以近于光速飞掠过地球的宇航员在看了表后可能会说火星上现在的时间不到12点，或者已经过了12点，视其飞行的方向而定。对于指挥官琼斯在干什么的问题，这位宇航员的回答可能是“在做午饭”或者“在洗碗”。这类互相矛盾的回答表明，想要赋予“现在”以某种特殊地位的做法只能是无功而返的愚蠢行为，因为无法确定到底指的是谁的“现在”。如果我和你在做相对运动，那么在我看来属于尚不明确的未来事件，在你看来也许早已进入固定不变的过去了。

由此得出的一个最简单的结论就是过去与未来都是确定不变的。鉴于这一原因，物理学家倾向于认为时间是整体安排好了的，构成一种所谓“时间风景”(time scape)。它与空间的风景有异曲同工之妙；所有的事件，不分过去未来，全都早已在这一风景中布置妥当。有时人们把这种时间理念称为“整体时间”(block time)。在这种描述自然界的方式中，完全不存在一个与众不同的特殊时刻可以号称“现在”，也不存在任何一种过程把未来的事件转变为现实，然后又推向过去。一言以蔽之，物理学家所认为的时间是不会流动的。

时间为何不动

这些年来许多哲学家在考察了我们通常所指的“时间推移”的概念之后，得出了与物理学家不谋而合的结论。哲学家认为，时间推移这一概念存在着内在的矛盾。不管怎么说，“流动”的观念与运动有关。谈论某一物理实体的运动(如一支箭穿越空间的运动)是顺理成章的，因为我们可以测量它的位置如何随时间而变化。但是对于时间本身的运动，我们可以赋予它什么意义呢? 它相对于什么东西而运动呢?其它类型的运动都是把一种过程与另一种过程联系起来，而我们所说的时间流动却是把时间与它自身联系起来。提出"时间过得多快?"这样一类简单的问题使这个概念的荒谬性暴露无遗。而"一秒就是一秒"之类没有什么意义的回答并不能告诉我们任何东西。

在日常生活中谈论时间的推移的确比较方便，但是这类说法并不能带来任何只有靠时间才能传递的新信息。试看下面这一段情节"爱丽斯盼望圣诞节下雪，但当圣诞节到来时却下起了雨，令她大失所望。然而她非常高兴的是，第二天总算下了雪。"虽然这段描述中多处涉及动词的时态和时间的推移，但是，如果我们只把爱丽斯的心情与日期联系起来而完全不提时间的推移与世界的变化，也能传递完全一样的信息。为此我们只要像下面这样把事实罗列出来就够了，尽管这样做有点麻烦并且相当枯燥无味:

12月24日:爱丽斯盼望圣诞节下雪。

12月25曰:下雨。爱丽斯大失所望。

12月26曰:下雪。爱丽斯十分高兴。

在这样的描述中，什么也没有发生，也没有什么变化。有的只是世界在不同日期的状态，以及爱丽斯相应的心情。

古希腊的哲学家如巴门尼德(Parmenides)和Zeno等人也提出了大同小异的说法。一个世纪以前，英国哲学家约翰·麦克塔格特(John Mc Taggart)试图划清用两种方法描述世界的界限，一种方法是用事件的发生来描述世界(他称之为A类描述)，另一种方法则是用世界所处状态及其相应日期来描述世界(B类描述)。每种方法似乎都是对现实的真实描述，但是两种观点显然互相矛盾。例如"爱丽斯大失所望"这一事件先是未来的事件，后来变成现在的事件，再后又进入过去。但过去、现在与未来是三个互相排斥的范畴，单独一个事件如何能具备同属三者的特性呢？麦克塔格特以A类描述与B类描述的这种矛盾为依据，证明时间本身是不真实的，这一结论似乎有点过激。大多数物理学家倾向于不那么过激的说法:时间的流动是不真实的，但时间本身同空间一样是实实在在的。

时间箭头之谜

在讨论时间的推移这个问题时，众多的模糊认识在很大程度上源于时间推移与所谓"时间箭头"之间的联系。否定时间在流动并不等于说"过去"与"未来"这两个概念没有一点物理学依据。不能否认世界上的事件是循着一个单向顺序展开的。例如，鸡蛋掉在地上跌得粉碎是司空见惯的事情，但谁也没有看到过摔碎了的鸡蛋又自动地组合起来，完好如初。这是热力学第二定律的一个实例。该定律认为，一个封闭系统的熵(可以粗略地定义为该系统的无序程度)将随时间的推移而增加。一个完好无损的鸡蛋之熵比打碎了的鸡蛋低。

自然界中不可逆的物理过程比比皆是，因此，热力学第二定律在对于使整个世界表现出时间轴上过去与未来两个方向之间明显的不对称性方面起了关键的作用。按照惯例，时间箭头指向未来。但这并不意味着时间箭头向着未来运动，正如指南针的指针指向北方并不表明指南针在向北方运动一样。在这两种情况下，箭头都只是代表一种不对称的状况，而不是代表运动。时间箭头代表的是整个世界在时间上的不对性，而不是代表时间的不称性，也不是表示时间的流动。“过去”与“未来”的说法用于表示时间上的方向性是合理的，正如“上”与“下”可以用来表示空间的方向一样。但是谈论绝对的过去或绝对的将来就没有什么意义了，正如不存在绝对的上或下一样。

一段假想的电影镜头(比如鸡蛋掉在地上摔得粉碎的镜头)可以形象地说明作为一种性质的“过去”(或“未来”)与绝对的“过去”(或“未来”)之间的区别。如果把这段电影倒着放出来，每个人都会看到这一过程是不真实的。现在想象一下这段电影的胶片被一帧一帧地剪开，然后把各帧胶片随机地混在一起。把这一叠胶片按正确的顺序重新排列起来，使破碎的鸡蛋在最上面而完好的鸡蛋在最下面，对任何人来说都是易如反掌的事情。这一叠垂直摆放的胶片保持了时间箭头所隐含的不对称性，因为它形成了垂直空间中的一个有序排列，证明了时间的不对称性实际上是世界状态的一种性质，而不是时间本身的性质。为了识别时间箭头，并不需要把这些胶片像电影那样真正放映出来。

假如从物理学与哲学的角度来分析时间，都无法找到时间流动的任何迹象，我们就遇到了一个难解之谜：所有的人都觉得整个世界处于连续变迁的状态之中，这种根深蒂固的感觉究竟源干何处呢? 某些研究人员(特别是诺贝尔奖获得者、化学家IlyaPrigogine)认为，不可逆过程的微妙物理学特性使时间的流动成了世界的一个客观性质。但我和其他一些研究人员则认为，这只不过是一种幻觉而已。

不管怎么说，我们都没有真正观察到时间的推移。我们真正观察到的只是，世界后来的状态与我们记忆中依稀尚存的先前状态所不同的区别而已。我们记得过去(而不是记得未来)这一事实不是对时间推移的观测结果，而是对时间不对称性的观测结果。除了有意识的观测者之外，没有任何其它东西记载了时间的流动。时钟测量的是两个事件的间隔，正如量尺测量的是两个地方的距离一样。它并没有测量一个时刻接着另一个刻行进的“速度”。因此，时间的流动看来是一种主观觉，而非客观存在。

解释时间幻觉

这种幻觉急需解释，研究人员将从心理学、神经生学、可能还有语言学或文化等不同角度来探索这个问题。现代科学才刚刚开始接触我们如何感知时间的推移这个问题；对于这个问题的答案，我们现在只能猜测。它或许与脑的功能有一定关系。如果你在原地打几个转后突然停下，你会有天旋地转、头晕目眩的感觉。从主观感觉来看，似乎是周围的世界在绕着你转动，但你的眼睛是非常明确的证据:周围的东西并没有转动。偶尔感到周围的东西似乎在绕着你旋转，这只不过是内耳中流体的转动所造成的一种幻觉。或许时间流动的幻觉与此如出一辙。

时间的非对称性在两个方面可能造成时间流动的假象。首先，过去与未来存在着热力学上的差异。最近几十年中，物理学家已经意识到熵的概念与系统的信息含量密切相关。因此，记忆的形成是一个单向过程——新记住的东西使信息量增多，从而使脑的熵增大。这种单向性给我们的感觉就好像是时间在流动。还有一种可能是，时间流动的感觉从某种角度讲，与量子力学有些联系。从量子力学诞生的最初时期起，人们就意识到时间通过某种与空间迥然不同的独特方式融入了该理论中。时间所扮演的这种独特角色是量子力学与相对论难于统一的原因之一。海森堡的不确定性原理(HeisenbergrS Uncertainty Principle)——自然界天生就是非确定性的——暗示未来是开放的(就这一点来说，过去也是开放的)。这种不确定性在原子尺度上表现得最突出，它规定刻划一个物理系统的各种可观测特性从某一时刻到下一时刻通常是无告预测的。

例如，一个电子撞上原子后可能沿多个方向中的一个反弹，但通常我们不可能事先预测在任意给定条件下的碰撞结果。量子不确定性意味着，对于某一量子状态，存在着许多(或许是无穷多个)可能的未来，也就是许多种潜在的现实。量子力学给出了每一种可观测结果的相对概率，但它不会指出是哪一种潜在的未来将变成现实。

然而，当观测者进行测量时，他将得到一个(也只有一个)结果。例如，发现反弹的电子沿某一方向运动。测量的动作使得某种特定的可能性从不计其数的可能性中脱颖而出，变成了现实。在观测者的眼里，可能性变成了现实，开放的未来变成了固定的过去——这正是我们所谓的时间流动的意义。关于许多种潜在的可能性最后如何转变成单一的现实性问题，物理学家尚未达成一致的看法。许多物理学家认为这个问题与观测者的意识有某种关系，其理由在于正是这种观测行为促使自然界接受了转变。有几位研究人员(例如牛津大学的RogerPenrose)认为，意识(包括时间流动这种假象)可能与大脑中的量子过程有关。

虽然研究人员未能发现大脑中存在一种"时间器官"的证据(如视觉皮层之类的器官一样)，但进一步的研究有可能最终锁定那些造成我们的时间流动感的大脑运转过程。可以想象某些药物或许能够暂时终止受试者认为时间在流动的幻觉。事实上，某些专练沉思冥想功的人声称，他们能够自然地达到这样一种精神状态。

如果科学研究能够为时间的流动找到一种说法，那又能怎样呢?或许我们将不再因为未来的不可捉摸而提心吊担，也不再因往昔的一去不返而仰天叹息。对死亡的担心将成为多余的忧虑，正如我们从来就不担心出生一样。期盼与怀旧也不再成为人类词汇的一部分。最重要的是，许多人类活动所具有的紧迫感都将不复存在。我们不再把美国诗人亨利·华兹华斯·朗法罗的名言"行动吧，现在就行动!"奉为圭臬，因为过去、现在和未来的说法将真正成为过时的概念。

坦率地说.无论是科学家还是哲学家都并不真正了解时间的本质，也不知道它为何存在。他们充其量只知道时间是与空间相似（但并不相同）的额外一维。例如，月球在空间中运行的二维轨道可以想象成一条穿越时空的三维螺旋形轨道。

究竟什么是时间?

公元5世纪.著名神学家圣奥古斯丁(SaintAugustine.354-430)曾说，只要人们不质疑，他对时间的概念就了如指掌，一旦有人问他什么是时间，他就不知所云了。由于我们是从心理上感知时间的，基于物理学的时间定义不但枯燥无味，而且很不适当。对于物理学家来说，时间是时钟测量的对象;而在数学上，时间构成了一个一维空间。通常我们假定这个空间是连续的，但它也可以划分为一个个离散的"时间量子，就像一部电影的各帧画面一样。

时间可以看成第四维这一事实并不意味着它与空间的三维完全相同。时间与空间通过截然不同的方式融入我们的日常生活及物理学理论中。例如，计算时空距离的公式不同于计算空间距离的公式。空间与时间的区别是因果性这一关键概念的基础，它使原因与结果截然分明，不会被搅得乱七八糟。另一方面，许多物理学家认为，在最小的距离与时间尺度上，空间与时间可能会失去其各自独立的本性。--P.D.

任何时候都是现在

按照传统的看法，“现在”这一时刻具有特殊的意义。所有实在的东西都集中在这一刻。随着时钟“滴答”一响，现在这一刻又过去了，下一时刻随之登场，这就是我们所说的——时间流动。例如，某一时刻月球只能位于绕地球运行轨道上一的某一个位置。随着时间的推移，它不再停留在这一位置上，而是到了下一个新的位置。

传统观点：只有当前的时刻是实在的。

然而，研究这类问题的科学家认为，由于每一时刻都有资格成为特殊的时刻。因此我们不可能单挑出“现在”这一时刻来赋予其特殊的意义。客观地讲。过去、现在与未来的这一现实性必定是不相上下、平起平坐的。从遥远的过去到无尽的未来，所有的时间都已经被安排在一个由时间维和三个空间维构成的四维整体中(下图仅示出了其中两个空间维)。—一P．D．

一切都是相对的

“火星上现在有什么情况?”这个问题看似简单，其实非常复杂。麻烦源于“现在”这个措词。以不同速度运动的不同观测者对于何为“现在”有着不同的理解。这一令人惊异的事实称为“同时性的相对性”。下面一段情节描述了两个一人(一位是在美国休斯敦的地球人，另一位则是坐在火箭上一相当于光速80％的速度穿越太阳系的太空人)如何回答“火星一上现在有什么情况?”这个问题。火星上一位宇航员同意正12点敲钟时吃午饭，同时发出一个信号。

从地球上看的情形

在地球人看来，地球是静止不动的，火星位于一个恒定的距离(20光分)，而火箭则以相当于光速80％的速度在运动。火星人眼中的情况与此一模一样。

正午前         地球人和火星人通过交换光信号测定了他们之间的距离并校准了他们的时钟。

正午12点      地球人猜测，火星人开始吃午饭。他准备等待20分钟以验证猜测。

午后12点11分  地球人根据火箭的速度，推测火箭在其飞往火星的途中与火星人发出的信号相遇。

午后12点20分 信号到达地球。地球人证实了他先前的猜测。火星上的正午与地球上的正午是同一时刻。

午后12点25分 火箭到达火星。

从火箭上看的情形

在乘坐火箭的太空人看来，火箭是静止不动的，而地球和火星则以相当于光速80%的速在空间快速运转。他的测量表明，这两个行星的距离为12光分，与地球人推算的距离不同。两者间的差距称为“长度收缩”。(length contraction)，它是爱因斯坦的相对论中的一个著名效应。另外一个相关的效应称为“时间膨胀”(time  dilation)，它使火箭上的时钟与行星上的时钟走的快慢不同。（地球人和火星人认为火箭上的时钟走得较慢；而太空人则认为这两个行星上的时钟走得较慢）。当火箭从地球旁边掠过时，飞行员将时间校准，与地球上的时间相同。

正午前          通过与其同伴交换光信号，太空人测量了地球与火星之间的距离。

正12点         太空人猜测，火星人开始吃午饭。他准备等待20分钟以验证猜测。

午后12点07分  太空人收到火星的信号，证明猜测有误，从而推断火星人在正午之前吃饭(火箭上的时间)

午后12点15分  火星与火箭相遇。太空人与火星人发现他们的时钟不同步，但弄不清谁的时钟指示的时间正确。

午后12点33分   信号到达地球。时钟的指示相互矛盾，这表明不存在统一的现在时刻。