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3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，是多少分之一秒嗎？
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，另二部分水就結成冰。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1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一熵。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--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1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，馬不拉車，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。一架由兩匹馬拉的車，“自然”要比由一匹馬拉的車快兩倍；一塊10千克重的石頭落下時的速度，“自然”要比5千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，第二個發明了望遠鏡，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：