人们总是把时间比作河流。我们常说“时间在流逝”，确实再也没有什么比这种说法更精确地反映了我们对时间的感觉了。一切事件都发生在这时间的长河中。人类几千年的经验指出，时间之流是不变的。它不能加快，不能减慢。而且，它也不能倒流。随着物理学的发展，这种直觉的、建立在日常经验基础上的关于时间与事件、与物理过程绝对无关的概念，似乎得到了新的证明。在实验室的精确实验中，以及在观察天体运动的时候，不管经过多长时间，时间之流是不变的。可以说，即使从宇宙中取消一切过程、一切事件，按照我们直觉的观念，时间将依然流动，一如既往。绝对时间的概念就这样诞生了。这一概念和绝对空间的概念形成了牛顿经典物理学的基础。
牛顿和爱因斯坦的时间观
牛顿认为，绝对的、真实的、数学式的时间，和任何物体没有关系，永远均匀地流逝，有着它自己独特的本质。
这种关于时间本质的观点可以从他的力学中导出，也促进了经典力学的形成。另一种不同的观点可以用莱布尼兹的话来表达，即时间只能存在于事物排列的次序中。可是莱布尼兹没有建立起反映这一观点的具体的物理学理论，牛顿的观点占了上风。
牛顿的著作中所描述的世界的一般图景是清晰而明确的：在无穷无际的绝对不变的空间中，随着时间的流逝，发生了世界上一切运动。不管运动是多么错综复杂，不管天体运行过程是多么形形色色，它们都不会影响那无际的舞台——空间。在这舞台上，宇宙中一切事件的戏剧都在那不变的时间中展现开来。对于持有这种观点的唯物主义者来说，毫无疑问，时间（空间也同样如此）是不可能有边界的；时间之河不可能有发源。因为时间之源会破坏时间不变性的原则，意味着发生或“建造”宇宙中物质世界的运动。我们知道，古希腊的唯物主义哲学家就已经证明了世界无限的观点。
在牛顿的理论中不会产生关于时间的结构、时间的性质的问题。时间只有长度这一性质，除此以外没有别的性质。
所以在牛顿的世界图景中，“现在”、“以前”和“以后”的概念是绝对明白无误的。宇宙中一切事件都可以使用同一只钟，从而编出对一切事件都有同样意义的时间表。
对这种如此清楚而简单的观念，第一个打击来自狭义相对论。
这一理论产生于科学对可与光速相比的高速运动所进行的研究之中。它第一次说明，时间之河根本不像以前所想的那么简单。
相对论指出：“现在”、“以前”和“以后”的概念只有对那些相距不远的事件才有简单的意义。如果所要比较的事件相距很远，那么只有当一个事件发出的以光速运动的信号来得及到达第二个事件的时候“以前”、“以后”的概念才有确定的意义。如果信号来不及到达，那么“早”和“迟”的关系有没有确定的意义，取决于观察者的运动状态。
这样，对于一个观察者来说是发生在“以前”的事，对另一个观察者可能是发生在“以后”的。这样的一些事件不能有因果联系，不能互相影响。在相反的情况下，有些事件是其他事件的原因（因此在此以前发生），可是从有些观察者看来，它们好像是发生在它们的结果以后。
与这种性质紧密相关的是，光速在真空中始终是常数，与观察者的运动无关，而且这一速度非常大。再也没有什么能比光运动得更快了。
更奇妙的是，时间之流与物体的运动速度有关。如今中学里都在讲解相对论原理，连中学生都知道，观察者相对物体运动得越快，则时间流逝得越慢。在基本粒子实验中已切实地测到了这一事实，甚至用高速飞行的飞机上的时钟所做的直接实验也观察到了这一事实。
可见，时间的性质只是看上去不变而已。为了发现上述事实，必须有高速的运动，而这是以往人类所做不到的。此外，相对论建立了时间和空间不可分割的关系。任何过程的时间性质的变化总是和它的空间性质的变化联系在一起的。不过我们在本文中集中讨论时间的性质。爱因斯坦所建立的广义相对论是在了解时间性质的道路上迈出的又一步。
事实上，引力场能够影响时间流逝的速度。引力场越强的地方，则时间与远离引力物体从而引力较弱的地方相比流逝得越慢。这一结论同样被地球上的直接实验和对太阳及恒星的天体物理学观察所证实。
从我们前人关于统一的、绝对的时间之河的幼稚观念中，我们一点一点地走了出来。时间看来依赖于运动物质的性质。时间之河并不是处处平稳地均匀地流动着，它在有些地方迅如急流，奔腾而去；有些地方缓若湖潭，汩汩而流；有些地方则分成速度各不相同的小河小溪。
最近几十年广义相对论的发展给我们的时间概念带来了真正革命性的变化。
这种革命性的变化首先是和黑洞性质的研究结合在一起的。
黑洞和时间
黑洞是引力的一种凝块。它是在天体发生灾变性塌缩时，例如巨大的恒星在演化的后期发生塌缩时形成的。黑洞的引力场增大到了甚至是光也无法逃逸的地步。因为从这一区域里没有光射出来，所以称之为黑洞。从遥远的观察者来看，离黑洞越近，则时间流逝得越慢。到达黑洞的边界以后，时间的步伐就干脆停了下来。这就好比河岸边的水流是静止的一样。
但是在飞往黑洞的宇宙飞船里的观察者面前呈现的是另一幅景象。黑洞的巨大引力场将飞船吸引得以可与光速相比的速度跌向黑洞。尽管如此，从遥远的观察者看来，飞船的坠落受到阻尼而慢了下来，在到达黑洞边缘时完全停顿了下来。可要知道，在他看来，时间本身也停顿了。随着接近子这样的下坠速度，飞船上的时间也减慢了步伐，就像在任何高速飞行物体上一样。正是这种时间的减缓战胜了飞船下坠的停滞。飞船接近黑滴边缘的情景无限延伸下去。由于下坠飞船上的每一秒钟也越来越长地延伸了，所以这一情景也是用这种有限数量的拉长了的分分秒秒（从外界观察者来看）来计量的。按照下坠观察者的钟表，或者按照他的脉搏来计算，在到达黑洞边缘以前只经过了有限数量的分秒。遥远观察者的钟表上飞船坠落所经过的无穷长的时间，居然被下坠观察者所经历的很短的时间容纳了下来！对于一个观察者是无穷的，对于另一个观察者却变成了有限的1这实在是关于时间之流的概念的惊人改变。
坠向黑洞的观察者是无论如何也没法脱逃的，不管他的飞船的发动机多么强大。他也无法由此发出任何信号，任何消息。甚至是光，自然界运动最快的东西，也无法从中出来。对于外部观察者来说，根据他的钟表来看，飞船的坠落本身要持续到无穷将来。这就是说，下坠观察者和他的飞船在黑洞里所经历的是外部观察者的时间之外无穷的将来以后的事了。 · 从这种意义上来说，黑洞是宇宙的时间上的一个洞。当然我们要立即说明，这并不是说黑洞内部根本就没有时间的流逝。在那儿时间仍在流逝，只不过那是“另外”的时间，是和外部观察者的时间流法不同的时间。
坠入黑洞的观察者和他的飞船会怎样呢？我们知道他是无力逃脱的。引力将死死地将他束缚在黑洞深处。他的命运如何？
还是在不久以前，理论科学家认为，观察者在进入黑洞口以后，会从我们空间远离他所坠入的黑洞的另一个孔里出现。或者说他能够在“另一个宇宙”的空间中“浮现”出来。
如果这是可能的，那么在宇宙中除了有黑洞以外，还应该存在着“白洞”。这是另外一个口，从中能“浮现”出观察者。任何东西都不能进入白洞，而只能从中飞出来。白洞和黑洞真好像是单向通行的街道。不过这是时间的街道！
可是，白洞和从黑洞通向白洞的口子看来是极不稳定的东西，所以不可能存在于自然界，多可惜；如果它们能存在的话，那么观察者先进入黑洞，再从白洞口出来，就来到了我们宇宙的遥远的过去！这可真是幻想小说里可以通向过去的“时间机器”。
但我们只能再一次指出，这些看来是不可能的。
那么，如果观察者果真胆敢坐着宇宙飞船进入黑洞，他到底会发生什么呢？
引力将使飞船飞往引力越来越强的区域。如果一开始在飞船（我们假设此飞船已无发动机）中观察者处于失重状态，毫无不适之感，可在坠落过程中，情况就不同了。为了理解所发生的事，让我们回忆一下潮汛式引力。实际上，靠近引力中心的质点，比离得较远的质点，受到的引力更大。结果物体在引力作用下会被拉长。地球上的海水在月亮的引力作用下就产生类似的拉长现象。这就形成了潮汛。
观察者在坠向黑洞的初期，潮汛式拉力可能很微小。但是它不可避免地随着坠落而增长。理论证明，任何坠向黑洞的物体将会落向这样的区域，在那儿潮汛式拉力大得无穷。这就是黑洞内所谓的异常区域。在这儿任何物体或任何粒子都会被潮汛式拉力撕碎而不复存在。没有什么东西能够穿过异常区域而不被消灭。
异常区域内的时间
但是，如果这样的经历对于黑洞内的任何物体都是完全不可避免的，那么这就意味着，在异常区域也不再存在时间。读者一定会问：“这怎么会呢？在这以后、是什么呢？即使物体成了碎片，可是在经历了这种灾变以后，一切都还存在。也就是说，时间仍将保持它往常的步伐，尽管在这时间内，异常区域里发生着破坏性的现象。”
然而事实并非如此。我们要记住，时间的性质依赖于所发生的过程。理论指出，在异常区域，时间的性质变得如此厉害，它不再是连续的时间流了，它分解成了量子。这儿还应该记住，相对论指出，必须把时间和空间放在一起，作为一个统一体来考察。所以，正确的说法应该是，在异常区域，统一的时空分解成为量子了。
说明这种现象的精确理论现在还没有。我们只能指出必然发生的事的最一般性质。首先产生的问题是，这种时空量子的尺度是多少？看来，这个问题是能够回答的，尽管还没有详尽的理论。我们知道，在所考察的现象中，必然涉及这样的过程，它们是用自然界的三个基本常数来描述的，这就是最大速度极限光速——光速c，牛顿万有引力常数G，以及和量子现象有关的普朗克常数h。这些常数有这样的一个式子，它的量纲是时间：
这个表达式就是时间量子的时间尺度。它是非常非常小的：τ≈10-43秒。这种量子的空间尺度就是将τ乘以光速：l≈τ · c≈10-33厘米。要想象出τ是多长时间，l是多长距离，我们是做不到的。比如说，光穿过一个原子核那样大小的空间所需的时间还比τ大一万亿亿倍。
看来，比τ还要小的时间间隔是不会有的。这是很不平常的，然而已不是出乎意料的了。我们从量子物理学中已知道，存在着诸如电荷量子，以及给定频率的光能量的最小单位——光量子。时间量子的存在并不奇怪。
我们要指出，关于时间的本质的这种观念，是和异常区域内一切过程量子化的必然性联系在一起的。我们记得，牛顿力学在适用的情况下（物体慢速运动，引力场较弱），它要求按这一理论的概念来描述时间的本质。在这种情况下，时间确实是均匀流动的，同时性概念也是绝对的。当我们转向麦克斯韦电动力学时，物理学指出，在这种情况下应该按照光传播的波动理论来描述过程的本质。这时，时间的流逝应该符合同时性概念的相对性。这就是爱因斯坦在狭义相对论中所指出的。
由于光的波动传播依赖于引力，所以时间的流逝必然是不均匀的，就像深浅不一的河流一样。广义相对论确立了这一事实。最后，当我们转向物质堡子性决定一切的情况时，时间也变成了量子。根据这种观点，连续的时间流是由难以分辨的离散过程组成的，就像从远处看沙漏计时器里流出的连续的沙流一样，尽管这种沙流是由离散的沙子组成的。如果将来我们在研究物质运动时，能够沿着这条线索（机械运动过程——波动过程——量子化过程），再进一步找到更基本的运动形式，那么与此相应，这种情况下时间的性质也要改变。
我们再来谈谈黑洞。
如前所述，黑洞内的异常区域中，时间分解为离散的量子；因此在离开异常区域只有时间τ或者空间l=cτ的时候，如果问下坠观察者的钟表再过一会儿将会怎样，这个问题已没有意义了。时间间隔τ已不可能分割，就像光子不能分割一样。“以前”和“以后”的概念已完全失去了意义，甚至问异常区域以后将会怎样也是一个无意义的问题。
为了说清这一思想，我们来作一个比喻。我们都记得原子内的电子以一定的角动量和方位（都用相应的量子数来描述）在一个固定的轨道上运动。用经典的语言，我们说“电子在运动”。但是按量子语言，在这儿不能够说运动，正确的说法是，电子处于一种确定的状态，在波函数的时间里它的描述是不变的，这种波函数给出了电子在某一地方的概率。
看来，在异常区域量子理论中，“时间的流动”也要用某种类似的波函数或概率函数来描述，尽管“某个时间间隔流动的概率”这种说法本身就显得很不寻常。
总而言之，在异常区域时间的性质很可能极大地改变了，转变为量子。时间之河在这儿分解为不可再分的点点滴滴。不应该说异常区域是时间的边界，过了这个边界物质的存在就在时间之外了。而应该说，物质存在的时空形式在这儿具有独特的性质，很多常用的概念甚至是没有意义的了。关于异常区域的自然规律，我们现在还只能猜测。
有关黑洞内异常区域所达到的一切，都还只是理论上的结论，尽管这些结论是依靠现代物理学而作出的。科学的这个前沿还有很多东西有待弄清。
但是我们知道，必然存在着异常区域的黑洞在宇宙中是实际存在的。天体物理学已经相当可靠地发现了几个这样的物体。已经发现了时间之河的一种独特的暗沟，一种漩涡。
现在让我们再从黑洞转向整个宇宙演化的情景。
两种类型的异常区域
宇宙在膨胀。大约150亿年前开始了它的膨胀过程。理论指出，宇宙的膨胀必定是从异常状态开始的。宇宙开始膨胀时的异常状态（即所谓宇宙异常状态）在很多地方相似于黑洞中的异常区域。但是两者也有区别。首先，宇宙异常状态是对整个宇宙而言的，而不像黑洞的异常区域是物体的一部分。第二，宇宙异常状态不是出现于塌缩过程之末，而是在膨胀过程之始。最后一点特别重要。黑洞中的异常区域，我们从外部是观察不到的，它不会影响宇宙中黑洞外的任何事件。
相反，宇宙异常状态影响了膨胀着的宇宙中的一切事件。我们今天所见到的一切，都是这种异常状态的结果。从这个意义上说，我们可以通过观察它的结果来研究它，我们可以“看见”它。
我们对黑洞内异常区域所讲的一切都可以用于这种异常状态。在这种异常状态之前是什么呢？会不会是一切物质的塌缩，会不会有平常的时间之流？现在还不能最终回答这个问题。但是大部分专家认为，没有什么塌缩；如果说宇宙异常状态是时间之河的发源，那就像说黑洞中的异常区域是“时间小河”的终端一样。也就是说，在宇宙异常状态，时间也分解为量子，因此，“在此以前是什么？”这一问题很可能也失去意义了。
研究者们在这方面还有很多问题没弄清。
我们要再一次强调，关于宇宙异常状态的本质的理论，以及异常状态的时间性质的理论，原则上是可以用物理实验加以检验的。因此，时间之河的问题是物理学和天体物理学研究的对象，而不是抽象的议论和不着边际的猜想。
最后我们谈谈宇宙的未来。如果宇宙中物质的平均密度小于10-29克/厘米3，那么引力不能遏制膨胀，宇宙将要永远地膨胀下去。
但是，如果平均密度大于临界值，那么将来（很遥远的将来），膨胀将被收缩所代替，所有物质又将收缩到异常状态。这将是我们宇宙的时间之河的终端。这是否意味着时间的结束？我们已经指出过，这样说是不正确的。时间和空间在异常状态下获得了完全不同的性质。它们可以是量子化的，可以有复杂的拓扑构造，表现出自身封闭性，就像一个球或一个环一样，如此等等。我们在此不能详细描述，不仅是因为它很复杂（实际上确实很复杂），而且因为专家们自己还没有完全弄清，所有这些意味着什么。
我们在本文中想指出，关于时间的明显的直觉概念只有在一定的条件下才是正确的。当我们遇到高速运动物体、强引力场和复杂的量子化过程等等的时候，应该从根本上改变我们关于时间的概念。时间的性质不管显得多么不可思议，正被科学成功地研究着。最惊人的发现，无疑还在未来。
（Πpupoòα，1985年第4期）