上一篇《时光之箭》，谈的是时间的箭头，即时间流动的单向性。我们记得过去，却不知道未来；泼出去的水收不回来，煮熟的鸡蛋不能还原成生鸡蛋；人类由小长到大，渐渐衰老，却不能返老还童。这些日常看到的现象都说明时间的单向性，这是时间最为有趣也最为深刻的特性。

但是，撇开时间的单向性，我们想问，在物理学中，时间究竟是什么？很遗憾，直到今天，除了一些操作性的定义，我们并不知道时间究竟是什么。时间的操作定义与人们心理上感到的时间很类似，也就是说，当我们感到变化，我们觉得时间流过，或时间在流逝。所以，时间和变化即运动有关。为了量度时间，我们需要找到可以信赖的运动，例如天体在天空中的位置的变化。一天，就是太阳升起落下和再升起，或星星在天上东升西落一个周期；一月，是月相变化的一个周期；一年，是地球绕着太阳运动的一个周期。所有这些都和周期运动有关。有时，我们觉得这样定义的时间并不准，这和周期是否是严格的有关。现代授时技术已经用到了原子钟，这是基于某些原子的跃迁频率。

以上时间的操作性定义基于一个假定，即时间的均匀性，或某种周期运动本身的均匀性。这看上去有点同义反复，但并不完全是这样。时间的均匀性和时间的另一个性质密切相关，就是物理定律在时间上的“平移不变性”，一个物理定律在一万年前是如此，一万年后也是如此。周期运动是物理定律的一个结果，所以周期运动的一个周期是均匀的。在牛顿力学中，时间是均匀流动的，在爱因斯坦的狭义相对论中，时间同样是均匀流动的。时间的均匀性和物理学中另一个深刻的现象有关，就是对称性意味着一个守恒的物理量。物理定律在时间上的平移不变性是一个对称性，其对应的物理量是能量，能量守恒和时间平移不变性是同义语。我很难用一个形象的办法解释为什么时间平移不变蕴含能量守恒，我们可以将这个关系作为物理学的一个结论接受下来。当然，如果你接受量子力学的一个基本定律，也能理解时间和能量的关系。在量子力学中，频率与能量成正比，那么，时间的均匀性意味着频率的不变性，也就是能量守恒了。

在物理学中，无论是牛顿力学体系还是爱因斯坦的狭义相对论，空间也是均匀的，就是说，你在一个实验室发现的定律，在另一个实验室同样适用。空间的均匀性也意味着一个守恒量，就是动量守恒。我们同样可以利用量子力学解释两者之间密不可分的关系。在量子力学中，动量与波长成反比，如果空间是均匀的，那么一个波长传播到另一个地方波长不变，意味着动量守恒。

在牛顿力学体系中，时间独立于空间均匀地流逝，即使牛顿力学具有伽利略相对性，这里的相对论性也只涉及到空间，不同惯性参照系中的空间不同，时间却完全一样。在狭义相对论中，时间不再是完全独立的，新的相对性原理要求不同参照系中的时间和空间都不同，在从一个参照系变到另一个有相对速度的参照系时，时间和空间之间有线性变换。但是，即使在狭义相对论中，时间和空间也还是完全不同的。例如，一个参照系中静止的时钟标志的两个不同的时间被看成两个事件时，在另一个参照系中不会变成同一个时间在空间上不同点的事件。用专业的术语说，类时间隔的事件不会变成类空间隔的事件，反之亦然。

在没有引力的情况下，时间和空间看起来是一种先天的存在，尽管在相对论中这种存在和运动以及事件不能分开。当引力介入时，我们应该采取爱因斯坦广义相对论的观点，不能再认为时间和空间与其他存在无关。在粒子理论中，其他存在无非是场或粒子。广义相对论告诉我们时间和空间像粒子和场一样，是由动力学决定的，一直在变化、弯曲。时间和空间的量度本身不是给定的，而是演变的。但是有一点广义相对论也没有完全改变，就是事件的集合形成的连续体本身似乎有某种意义上的独立性，虽然事件之间的时空关系（是类时间隔还是类空间隔，以及量度）不能独立于物质。

和现代引力理论一样，量子力学也给予时间特殊的地位。在决定波函数演化的方程中，时间被单独地挑出来。波函数决定一个物理系统的一切，含有在一个给定时间系统的全部信息。如果我们想得到该系统在另一个时间的全部信息，我们就会用到波函数在时间中的演化方程。有人试图将演化方程“协变化”，即把时间和空间尽量放在同等的地位，时间依然与众不同。如果我们将引力和量子力学结合起来，会发生让时间显得更为独特的事情，因为时间和空间本身也是动力学变量，我们不再有演化方程，我们只有“静态”的方程，这个“静态”方程决定的波函数其实隐含着时间，因为时间只是波函数中的一个动力学变量。但是，如果我们试图给予波函数一个物理解释，我们似乎不得不挑出某一个变量作为时间（例如宇宙的平均大小，或者某处的一个变量如你们家的时钟）。从这个角度来看，尽管可以用几乎是“任意”的变量来作为时间，但一旦将这个时间取好了，它就是标志整个宇宙的时间，有某种意义上的“绝对”性。

对时间是否是绝对的，目前还存在争论。多元宇宙观点认为，我们的宇宙只是时空上相互连通的很多宇宙的一部分，我们原则上不能与多元宇宙中的其他部分建立联系。既然不能建立联系，谈我们的时间就是他们的时间就变得没有意义，也就是说，多元宇宙不同的部分有着独立的不同的时间。最近，Lee Smolin开始反对多元宇宙，认为宇宙中只有一个时间。上面提到的量子力学和引力的结合的结果似乎支持Smolin的观点（这样也就不该存在多元宇宙）。不过，我们对宇宙波函数的物理意义并不清楚，所以，现在就排除多元宇宙似乎为时过早。总之，时间在物理学中仍然是一个最难以理解的概念。