凡是具有天然运动和生死的，都有一个循环。这是因为任何事物都是由时间辨别，都好像根据一个周期开始和结束；因此，甚至时间本身也被认为是个循环。

——亚里士多德《物理学》

昼夜更迭，四季轮换，水汽蒸发，雨落大地 ，花开花落，草木荣枯。万物在时间的框架下周而复始。这些循环现象构成了早期人们基本的时间观念——时间是一个循环。

时间就是时钟所测量的东西。

在历史的长河中，世界各地的人们不约而同地都发展出了利用地球、月亮和太阳的周期性变化进行计时的方法。现在我们已经可以制造出无比精确的原子钟，即便从宇宙诞生开始运行至今，误差都不会超过1秒。甚至有些精通量子力学的钟表匠正在琢磨着如何利用原子核的震动来制造更加精确的原子核钟，因为原子核的振动比整体原子的振动更快。

虽然我们制造的钟表越来越精密，对时间的测量也越来越精确，但我们依然没能理解时间的本质。古罗马神学家、哲学家奥古斯丁的名著《忏悔录》的第11章中有这样的论述： 一位信徒问了奥古斯丁一个问题：“上帝在创造世界之前在做什么？” 奥古斯丁显然被问住了，因为他曾考虑过这样回答：“上帝在为那些窥探天机的人准备地狱。”然而思考良久，他还是决定认真作答。

奥古斯丁指出，每当我们使用“以前”或者“以后”这样的术语时，我们都在谈论时间，可它的本质却似乎很神秘。“时间是什么？如果没人问我，我知道，可如果我试图去解释它，却又做不到。”奥古斯丁接着指出：“如果要理解一样事物，你就必须考虑如何去测量它，如果我们不能测量，那它就什么都不是。”按照这个逻辑，奥古斯丁关于“什么是时间”这个问题的答案就是：“时间就是时钟所测量的东西。”在此基础之上,那个信徒的问题也解决了：因为上帝在创世之前没有时钟，所以就没有时间，在这个背景下去讨论“以前”，是毫无意义的。

在当今的宇宙物理学中，类似的问题依然存在，比如“宇宙大爆炸之前发生了什么？”

共形宇宙循环学说（CCC）

英国物理学家罗杰·彭罗斯基于对极早期宇宙遗迹的观测事实指出：极早期宇宙就像是一盒刚刚被倒在地板上凌乱不堪的乐高积木，由一大堆夸克、电子和其他基本粒子混合而成。质子和中子会在大爆炸后10微秒左右由3个夸克构成。原子、分子、恒星和星系之类的结构也会一步一步自行组装出来。

进一步讲，在初始状态的宇宙中不存在任何东西能够起到时钟的作用。“没有了类似于时钟的东西，”彭罗斯说，“事物就不知道如何去记录时间。”没有任何东西能够标记出固定的时间间隔，因此不管是经过了1阿秒（ 10^–18秒） 还是1飞秒（10^-15秒），对于极早期宇宙这锅“原汤”中的粒子来说，都没有任何区别的。

同样的场景还将出现在久远的未来。当所有恒星都熄灭，宇宙将变成一锅由黑洞和自由粒子构成的大杂烩；接下来，黑洞也将消散，只留下粒子。这些粒子中的绝大多数是光子之类的无质量粒子，时钟再次无法构成。

这就是彭罗斯提出的共形宇宙循环学说（CCC）。该理论指出，时间没有开端，遥远的过去和未来实际上是宇宙循环中的同一个阶段。当一个宇宙逐步收缩、走向终结，时间会重新拨回原点，开启新一轮的大爆炸、膨胀与收缩。

这个理论也存在弱点。宇宙寿终正寝，至少电子会幸存下来，而电子具有质量，利用这些电子，应该能够构建出一个时钟。彭罗斯推测，电子可能会经历某种“减肥”过程来抛弃质量，不过他也承认这种说法不太靠谱。他说：“这个理论有很多让我不爽的地方，这只是其中一处。”再说，如果早期宇宙连时间这个概念都不存在，那它又如何能够膨胀、稀释和冷却的呢？

或许你会认为，就算时间无法测量，至少在抽象意义上，时间这个概念也依然存在。不过一个无法被测量的量在理论上是否真的存在，这值得质疑。

从科学的角度来说，以牛顿为代表的经典力学体系的出现标志着“时间概念的诞生”。在这个体系中，时间和空间都是绝对的，宇宙中任何事物都在按照一个绝对统一的步调一分一秒地发生、发展以及衰亡，世界变得可以被预测。但经典力学的方程无法断定哪里是过去，哪里是未来。

时间可以被拉长、可以被缩短甚至被打碎。

对我们这些坚信物理学的人来说，过去、现在和未来之间的区别……不过是一个幻觉而已……
——爱因斯坦

长久以来，牛顿经典力学在整个物理学体系中占绝对的主导地位，因为它非常符合日常人们对这个世界的感知。但是，随着科学的发展，进而不断突破极大和极小的边界，相对论和量子力学让世人看到了完全不一样的世界。

在相对论体系下，三维空间和一维时间被合并成了四维时空。爱因斯坦突破了牛顿绝对时间的观念，并创造出了被称为“块宇宙”的宇宙构想。在“块宇宙”中，时间被当成了一个维度。就像不同的人站在不同的角度去看同一幢大楼投射到地面上的影子会出现不同，当我们在不同的位置和运动状态下去测量同一段时间时，也会出现不同的数据。这一点已经被实验证实。所以时间可以被拉长、可以被缩短甚至被打碎。

当我们把注意力放到宇宙的起始，你会发现一个体积无限小、密度无限大的“奇点”。在大约138亿年前，“奇点”突然膨胀，进而演化出我们今天的宇宙。这就是著名的“宇宙大爆炸”理论。

然而，时间仍然不具备方向性。爱因斯坦认为时间的流逝只是我们的感官所引起的错觉，过去、现在和未来并没有什么不同并且同时存在，且早已被书写在四维的块宇宙之中。也就是说，爱因斯坦描述下的宇宙就像一份静止的档案，其中记载了所有过去已经发生的事和未来将要发生的事。我们就在这份档案中不紧不慢地走过，阅读着那早已注定的宿命。

“块宇宙”延伸理论

来自开普敦大学的宇宙学家乔治·埃利斯向爱因斯坦的理论发起了挑战。事实上埃利斯提出的新模型并不是要颠覆“块宇宙”理论，而是对其改进。“明天的宇宙将会比今天多一天”，埃利斯说：“过去是真实的，并且能够对现在的我们施加影响，但未来还不存在，也无法影响我们。”也就是说，埃利斯认为未来并不是注定的，而是各种可能的集合，直到它变成现在的那一刻。

埃利斯的理论保留了足够多“块宇宙”的相关论述，以确保自己的理论符合现实的观测。埃利斯认同多个事件的发生顺序取决于光到达观测者的时间，以及不同的观察者对同一事件持续时间的观测也会不同。但是，在埃利斯看来所有的这些都是建立在被观测的事件已经发生，即已经存在于“块宇宙”之中这一前提之上。所以埃利斯的理论中不包含爱因斯坦激进地将第四维度延展至无穷未来的假设。

这样一来，埃利斯就需要解释宇宙是如何一步步平稳推进的。他从物理学的另一个分支——量子力学看到了希望。

无数实验已经证明量子力学在微观领域的正确性。但不幸的是，量子力学和相对论对时间的解释完全不同。前者认为时间的流逝是自然发生的，后者却把时间流逝描述成一种错觉。

埃利斯坚信时间是真实存在的。未来的不确定性是一系列微小量子事件的总和。随着时间的流逝，不确定的未来会凝结成确定的现在。

但是埃利斯的“块宇宙”延伸理论也受到一些质疑。比如，量子效应一般只在亚原子级别才会产生影响，它是如何不断堆叠进而影响宏观世界的？在这一点上，埃利斯还需要做出严谨的证明去说服他那些苛刻的同行。

圈量子理论

圈量子理论创始人之一、美国物理学家、加拿大圆周理论物理研究所研究员李·斯莫林尝试将相对论融入量子理论的范畴。

圈量子理论预言空间是由离散的块组成。空间连续是相对论的前提假设之一，如果这个假设是错的，那么之前的计算将没有意义。

斯莫林和他的团队开发出了一套新的数学语言用于计算空间是连续的还是离散的。计算结果是，空间离散。空间是由一个个体积单元堆叠而成，这个单元的单位叫做普朗克长度，约为10^-33厘米。因此，圈量子理论预言在每立方厘米的空间中有10^99个“体积原子”。

万物都在这样的小格子间进行演化，在这个尺度上，每一格变化的时间间隔近似普朗克时间，即10^-43秒。

但是，目前斯莫林还无法用实验来验证圈量子理论关于时空的预言。因为这个尺度太小了，在这样的尺度下进行的实验耗能极大，这也是目前的科技水平无法做到的。

然而，研究人员想到，如果空间是离散的，那么能高能光子比低能光子传播速度要快。通过检测产生于早期宇宙中的伽马暴辐射出的大量伽马光子的速度也许能验证空间离散这一假设。经过几十亿光年传播距离的累积，高能光子和低能光子的速度差异会变得更加明显。但是到目前为止，研究人员都还没有得出令人信服的实验结果。

圈量子理论对“上帝创世之前”的场景给出了另外一个预言——大爆炸之前是大挤压。也即是说，“奇点”并不是宇宙的开端，时间也并非从这开始。在此之前我们的宇宙经历了一个大坍缩。

也许有朝一日我们可以找到在“大爆炸”之前时间存在的证据。但是这些都还停留在理论层面，事实到底如何还需要严谨的实验来证明。

“直觉主义”数学

在过去一年中，瑞典物理学家Nicolas Gisin发表了多篇论文试图消除现代物理学中围绕时间的重重迷雾。这次他将目光锁定在了一门称为“直觉主义”的古老数学语言之上。在这个数学体系下，数字不能包括无限位数。也就是说，当我们用一个有限精度的数字去描述物理系统的演化时，未来就变得不可预测，时间在流逝，新的信息被创造出来。在这个数学框架下，爱因斯坦所描述的严格确定性被量子理论的不确定性所取代。

Gisin意识到，爱因斯坦的理论中有关时间确定性的描述暗含了无限信息的存在。就像天气预报，如果标记每一片云、每一棵树、每一片沼泽、每一次蝴蝶翅膀的扇动等等。我们就可以完美预测每一时刻的天气，而不仅仅是一个概率。这就像一系列完美运行的齿轮，环环相扣，无限传动下去。

现在我们将其推广到全宇宙。按照爱因斯坦的理论，在宇宙诞生之初就要用无限的精度标记每一颗粒子，记录它将要做的每一件事，不然随着时间齿轮的运转，宇宙早晚有一天会崩溃。

但是，信息是物理的，它的存储需要消耗能量和空间。而无限信息在物理领域是无法表示的。在宇宙起点，如此多的信息被压缩在一个如此小的空间里，假设存储的是无限信息，这样的宇宙也是会崩溃的。

在“直觉主义”数学框架里，在给定的时间段内，数字会按照一个指定的序列不断出现，而且具有越来越高的精度。去年5月，Gisin在一次会议里了解到了“直觉主义”数学，他很快意识到，“不断出现的十进制数字”这一描述和时间的流逝十分契合，而出现的这个数字就是“现在”，它让不确定的未来变成了确定的现在。

也就是说，世界是不确定的，未来是开放的。就像天气预报，因为我们无法知道每一项天气数据的无限精度，所以我们永远无法完全准确地预测天气状况，因为未来的天气数据还未生成。时间是一个创造性的过程，随着时间流逝，新的数据才会被创造出来。

Gisin的理论引起了许多科学家的共鸣，但是这还仅仅停留在理论阶段，仍然需要不断地充实以及相关实验的验证。

关于时间本质的探索，仍有许多科学家在不断的付出努力并提出许多新奇的观点。

1927年，物理学家爱丁顿最早提出了“时间之箭”的概念，认为时间的单向性可能与热力学中的熵存在某种联系。

四年前，加拿大圆周理论物理研究所的弗拉维奥·梅尔卡蒂和纽布伦斯威克大学的蒂姆·科斯洛斯基，以及英国牛津大学的合作者朱利安·巴伯正致力于一种新的假设：时间的箭头是由引力决定的。

蒂姆·科斯洛斯基与朱利安·巴伯在布拉格召开的百年爱因斯坦会议上

时间对我们来说就像一个熟悉的陌生人，他既无处不在，又让人捉摸不透。他好像在支配着我们不断向前，又好像在挥手高喊：“嘿！兄弟，我只是你的幻觉！”