时间是最古老的难题之一，而且，我们的生命有限，因此时间的问题就成为和我们个人最息息相关、最迫切想了解、最“深奥”的现实之谜。自牛顿以来的物理学家们有时候直接插足一度属于哲学领域的关于时间的问题。但是，物理科学虽然是关于整个物理世界的，却也就时间及其结构和根本的问题提出了自身的新观点（和悖论）。结果，我们的科学体系中关于时间可就不止是一个问题了。相反，诸多问题相互交织，可能需要不止一个观念的革命才能解决。
在西方思想体系中，关于时间的争论有两个极端派别，源于约公元前5世纪的两名希腊哲学家，巴门尼德（Parmenides）和赫拉克利特（Heraclitus）。巴门尼德创立的学派称，作为衡量变化的时间是一种幻觉，现实从根本上讲是无所谓时间的、是永恒的。对立的赫拉克利特和他的追随者们称，时间之外别无它物，无情推进的变化是现实唯一不变的特征。物理学关于时间基本性质的论战并没有突破这些古老派别的影响。即使在今天，你也会发现物理学家们不是属于巴门尼德派就是属于赫拉克利特派这两个极端——介于两个极端之间的各种观点也应有尽有。
早期主张巴门尼德派和赫拉克利特派之间的“折中路线”的学者之一就是艾萨克?牛顿。牛顿力学的发展建立了现代科学探究的范式，并在某种意义上中和了古代两派关于时间的观点分歧。虽然牛顿动力学的微分方程把时间视为在整个宇宙中匀速流动的参数，这些方程所代表的定律本身却是永恒的，存在于时间之外。牛顿之后，人们期望发现更多永恒的“自然法则”，这种期望成了一种魅惑的呼唤，为整个科学召唤灵感，在现代人类探索的模式中享有特殊的一席之地。当然，人们发现牛顿的定律仅在小于光速和大于量子化单元时适用。但是，不管相对论和量子力学的兴起如何颠覆了我们对牛顿宇宙的观点，它们的发展至少没有改变他关于现实的这一基本思想——物理定律超越时间存在。在我们寻找永恒定律的过程中，物理学给了我们一些有关时间性的基本认识（以及一些未决的问题）。最为突出和悬而未决的就是著名的“时间之箭”。所有支配粒子动力学——粒子是最基本的物理对象——的确定定律都是时间可逆的。不论是牛顿的质点动力学方程还是薛定谔的波函数方程都无法告诉我们时钟应该向哪个方向前进。然而，宏观世界绝不容许这种模棱两可。煎鸡蛋也罢、把奶精搅拌进咖啡里也罢，都明确说明时间之箭从过去指向未来是现实的基本要素。
返回时间之初作为物理原理，关于“时间之箭”的问题是用支配物理过程的动力（差分）方程语言来表述的。因此，希腊人不可能认识到这些。只是随着热力学（以及后来的统计力学）的发展才解决了这一难题，方法是求出和许多粒子的每一种宏观态相关的微观态的平均值。于是在宏观世界里有了一个新词来替代时间——熵——一个和大型系统相关的新的量。只是，熵的理论只不过推迟了时间之箭的问题。一旦熵（换句话说，无序的状态）达到峰值，系统就达到平衡，基本上每个时刻都和下一个时刻类似——除了偶尔的波动。因此，物理学家们必须摇身一变成宇宙学家来发问，为什么我们生活的宇宙的熵最初是那么低，允许持续的进化乃至变化。宇宙始于大爆炸的发现意味着这个宇宙学的时间之箭必须追根溯源到宇宙初始条件的问题。但是，正如罗杰?彭罗斯（Roger Penrose）、肖恩?卡罗尔（Sean Carroll）和其他理论学家所主张的那样，经典宇宙大爆炸理论框架里的低熵初始条件存在的可能性微乎其微。
宇宙初始条件的问题促使我们去找寻基本理论的最根本本质：量子引力。量子化广义相对论中经典时空的努力在本期的其他地方有讨论（见42-43页），不过这类研究的一个重要结果就是不断推动理论学家们勇创我们关于时间的观念的前沿领域。例如，当你把薛定谔方程以适当的形式用于广义相对论的时空时，得到的方程里居然没有时间，想想这个令人头疼的事吧。这个时间缺位的表达式被称作惠勒-德威特方程（Wheeler-DeWitt equation），它呈现给我们一组宇宙的“宇宙学”量子态，这些状态之间不可能有任何进化途径。惠勒-德威特方程是否意味着巴门尼德是正确的，时间不过是一种幻觉？解决这个问题还任重道远，但许多从事量子引力研究的人认为，我们所熟悉的时间和空间不可能是最根本的东西。相反，他们坚持认为时间和空间肯定建立在某种更基本的东西之上——这种东西具有和我们通常的时空连续性概念大相径庭的属性。在现代理论的框架中，“真有时间吗？”这个问题被改写成了时间源于某一套更深层次的原理。然而，对于其他研究人员，寻找量子引力的研究道路引起了令人不安的问题。例如，安德烈亚斯?阿尔布雷希特（Andreas Albrecht）就指出，把惠勒-德威特方程应用到我们所感知的受时间限制的世界里导致了一个新的难题，他称之为“时钟歧义”。阿尔布雷希特证明，没有简单的方法来选择新量子兼容理论的哪一部分来作为时钟，哪一部分应该称作“空间”。实际上，做出这样的选择就破坏了时间和空间的统一，并且，阿尔布雷希特还发现，任意选择不同的部分作为时钟可能导致数套完全不同的物理定律。
为时间的现实性辩护李?斯莫林（Lee Smolin）更加尖锐地批评了目前的做法。他主张说，数百年盯着永恒定律不放就是个概念绊脚石。斯莫林的观点是，追求永恒的定律来整体描述现实把基础物理学逼进了死角，被迫去考虑“可能的”现实，类似多元宇宙论及其无限的、可能是不可观察的其他多宇宙，而不是去考虑我们所感知到的这个宇宙。斯莫林还大胆地跨入赫拉克利特一派的领地，主张时间是现实的基石，不可能是突生的。根据这一主张，即使是物理定律也必须受制于时间，因此也可以发生变化。物理学的前沿研究涵盖了时间的各种可能的性质，涉及的可能性之多令人吃惊，一方面表明我们已经走了有多久，另一方面也说明我们还要走多久。时间业已证明它不是一朝一夕就能解开的物理学奥秘。我们不能指望解开这个谜，正如我们不应期望它会停止激发我们最具创造力的科学探索——至少目前是如此。
