1 引言
狭义和广义相对论诞生后，相对论的时空观取代了牛顿的绝对时空观，时空不再是绝对的，而是相对的，我们关于时空的认识，达到了一个新的境界。但是，我认为，许多人误读了相对论中的时空相对性，关于穿越时空旅行，特别是回到过去或提前进入未来的时间旅行幻想层出不穷，甚至以为这种时间旅行是相对论所允许的。“祖母悖论”显示出这种时间旅行幻想违背了因果关系。本文认为，不论是从狭义相对论，还是从广义相对论，都不能得出可以进行“时间旅行”或时间可以反向“流动”的结论。相对论的时空是相对的，但这仅是指在不同的参照系中，时空的测量结果是不同的，在一个参照系内部，时空仍然是绝对的，时空的测量结果是唯一的，时间也不会反向“流动”。
2 狭义相对论中一个参照系内部时空的绝对性
牛顿的绝对时空观认为，时空是绝对的，我们关于时空的测量结果与测量者的运动状态无关，即与参照系的运动状态无关，在不同的参照系中，关于一个物体的长度或一个过程所用的时间的测量结果，都是相同的，不同惯性系之间的时空变换遵守伽利略时空变换关系。
狭义相对论根据光速不变原理，推导出了惯性系之间的时空变换关系不再是伽利略变换关系，而是洛沦兹变换关系。由洛沦兹变换可知，关于一个物体的长度，或一个过程所用的时间，不同的惯性系将会给出不同的测量结果。因此，我们说，狭义相对论中的时空是相对的，这里的“相对”，是指相对于不同的参照系。也就是说，在不同的参照系中，或者对处于不同运动状态的观察者而言，时空是不同的，更精确的说，时空的测量结果是不同的。
但是，狭义相对论并没有说，在一个参照系内部，时空也是相对的。对唯一的一个参照系来说，或者对唯一的一个观察者来说，他测量出的时空仍然是绝对的，唯一的，而且，时间不会反向“流动”。由于在一个参照系内部，时空是唯一的，因此，我们可以像在经典力学中那样，在参照系中建立起一个时空坐标系，即画出三维空间坐标和一维时间坐标，这种时空坐标，在这个参照系内部，是唯一的，不变的，或者说是绝对的。物体在该参照系中的运动，可以看成是在这个时空坐标系中的运动，物体运动的每一个时空点，其坐标值是唯一的，绝对的。
在笔者的《论物理规律的相对性》等文章中，已经指出，在一个参照系内部，如果我们选择了不同的时空测量标准，也会得出不同的时空测量结果。显然，本文这里所说的参照系内部时空测量结果的绝对性或唯一性，是在该参照系内部的时空测量标准是已经明确确定了的前提下而言的，在该参照系内部，时空测量标准是唯一的，不变的。
既然在一个参照系内部，时空是唯一的，绝对的，时间流动的方向不会反向，也就是说，在一个参照系内部，穿越时空的旅行是不被允许的，我们不可能回到过去或提前进入未来。既使不同的观察者处在不同的运动状态之中，即处在不同的参照系之中，但对每一个观察者而言，他所测量到或观察到的时空却是唯一的，绝对的，时间既不会倒流，也不会放慢或加快它流动的速度。因此，对每一个观察者而言，他都不会观察到某个物体或其它人能够进行时间旅行，提前进入未来或回到过去，也不能观察到他自己能够提前进入未来或回到过去，在他的时空坐标中，任何物体运动，都只能按时间的唯一方向，按唯一不变的“时间流动速度”从过去走向未来。
严格来说，讨论“时间的流动速度”是毫无意义的。物体运动速度的测定是在时空测量标准完全确定的前提下进行的，也就是说，是在时空坐标完全确定的情况下进行的。如果我们要测量或讨论“时间流动的速度”，那我们所依据的测量标准又是什么呢？当然，我们可以在一套时空测量标准下，测量或讨论另一套时空测量标准下的“时间的流动速度”，如我们用电子钟来判断机械钟运行的快慢，但此时，这个机械钟已不再是我们的时间测量标准了。对于确定的、唯一的时空测量标准，我们是不能讨论其“准确程度”或 “时间的流动速度”的，也就是说，对于时空坐标系，我们是不能讨论其“准确程度”或 “时间的流动速度”的，这种讨论是毫无意义的。
3 狭义相对论中运动对时空测量结果的影响
但是，根据狭义相对论，运动物体的长度会收缩，运动物体上的过程会变慢，这些狭义相对论的时空测量结论又该如何理解呢？
笔者的《论物理规律的相对性》等文章中已经指出，狭义相对论中的这些具有规律性的时空测量结论虽然是根据洛沦兹变换获得的，但却可以解释为一个参照系内部的时空测量结论或一个参照系内部的物理规律。“运动物体的长度会收缩”这句话，本身就是针对于一个参照系而言的，在该参照系中，我们发现，该物体在运动，并且，我们还发现，该物体的长度与静止时相比发生了收缩。该物体在运动和静止时的长度，都是在同一个参照系中测量出来的。因此，“运动物体的长度会收缩”，是一个参照系内部的测量结论或物理规律。由不同参照系之间的时空变换关系，如洛沦兹变换关系，怎样获得一个参照系内部的时空测量结论呢？设我们讨论的“一个参照系内部”是指惯性系K的内部，在惯性系K中，我们发现，一个物体在运动，并且，它的长度我们测得为L动。由于该物体在K中并未静止，我们是如何知道它静止时的长度L静 的呢？设在另一个惯性系K/中，该物体静止，它的长度由K/系中的观察者测得为L静/。由洛沦兹变换关系，我们可以求得L动 和L静/ 之间的关系，L动 =(1－V2 /C2)1/2 L静/。我们知道，如果K和K/的相对运动速度V为零，K系和K/系就完全相同，变为同一个参照系，此时，该物体也就在K系中静止，因此，K/系测得的该物体静止时的长度L静/，也就是K系测得的、如果该物体静止时的长度L静，因此，在K系内部，我们有 L动 =(1－V2 /C2)1/2 L静，我们说，在K系内部看来，物体运动时，长度会收缩。同样，“运动物体上发生的过程会变慢”，也可以看成是一个参照系内部的测量结论或一个参照系内部的物理规律。
我们可以把“运动物体的长度会收缩”、“运动物体上发生的过程会变慢”说成是“运动导致时空发生了变化”，这仅仅是一个说法。但是，我们不能把“运动物体的长度会收缩”、 “运动物体上发生的过程会变慢”理解为该参照系内部的时空坐标系发生了变化，或时空测量标准发生了变化，如前所述，一个参照系内部的时空坐标系和时空测量标准是不会变化的，或者，更精确的说，我们是不能讨论一个参照系内部的时空坐标系和时空测量标准的变化情况的，“运动物体的长度会收缩”、“运动物体上发生的过程会变慢”正用该参照系内部“不变的”、唯一的时空测量标准所测量出的结果。这里，发生变化的是时空测量的结果，而不是时空测量的标准，导致时空测量结果发生变化的原因不是时空测量标准的改变，而是测量的对象处在了不同的运动状态之中。对于一个物体的长度，在一个参照系内部，用同一个时空测量标准，测量出了两个不同的结果，是因为两次测量时，该物体处在两个不同的运动状态之中。不同运动状态下的物体具有不同的长度，是正常或自然的，因为该物体的运动状态毕竟不同了。如果不同运动状态下具有相同的测量结果，倒是有些不自然。
“运动物体上发生的过程会变慢”，运动的人会显得更年轻，并没有什么值得我们迷惑的地方。运动使人的生命过程变慢，使人显得更为年轻，与良好的保养使人年轻，除了使人年轻的原因不同外（一种为运动，另一种为保养），再也没有其它不同的地方。既使出现因运动或引力场的作用，使人的生命过程反向，使这个人返老还童了（当然，在狭义相对论中，运动不会使某一过程反向，但在广义相对论中，引力场却可能会使某一过程反向），但我们也不会认为在这个人身上，时间出现了“倒流”。这就如同在某些情况下，有些化学反应过程会变慢甚至可逆一样，我们并不因为化学反应的速度变慢而认为“时间变慢”，我们也不因为化学反应出现了逆反应而认为“时间倒流”。假设有一个人，由于高速运动或引力场的原因，该人身上的生长速度了生了变化，甚至于出现了反向，使该人返老还童了，但在参照系内部的所有观察者看来，包括返老还童的那个人自己看来（即使返老还童的人所在的参照系与其它人所在的参照系不同），使该人返老还童的现象发生在他前期的生长或变老过程之后，时间并没有混乱，也没有倒流。如果观察者没有认识到使那个人生长速度变慢甚至反向的原因是他处于高速运动之中或强引力场中，观察者可能会认为，返老还童可能是由于那个人服用了一种神奇的药水。
如果一个人乘坐宇宙飞船旅行，由于高速运动或由于引力场的作用，当返回地球后，我们发现他比同龄人要年轻许多，我们也许会说，“这位旅行者进入了别人的未来”。但是，这里的“别人的未来”对这个“别人”来说，不是还未发生的事情，而是正在发生的事情。也许，宇宙中某一处的引力场使旅行者生命过程变快，他返回后反而更老，我们也可以说，“旅行者回到了别人的过去”。同样，这里的“别人的过去”对这个“别人”来说，也不是以前发生过的事情，而是正在发生的事情。这种“进入未来”的方式，与将这位旅行者冷冻起来，过几十年再让他复苏，并无实质性的差别，这种“回到过去”与旅行者因生病而提前衰老并无实质性的差别。但是，无论怎样，一个人是绝对不会回到自己的过去或提前进入自己的未来的。
请注意，当我们说“运动物体上发生的过程会变慢”，或“运动会使人更年轻”时，是相对于唯一的一个参照系K而言的，在该参照系中，某个人在运动，并且他更年轻。但在运动的人自己看来，或者在与该人同步运动的参照系K/看来，这个人并没有运动，而是其它人在运动，因而，在K/看来，反而是其它人更年轻。那些认为狭义相对论中存在“双生子佯谬”的人会追问，处在两种不同运动状态下的双生子中究竟那个人更年轻？笔者的《双生子佯谬和滑块佯谬是真正的佯谬吗？》一文对这个问题进行了详细的讨论。笔者认为，两个不同的参照系关于双生子谁更年轻给出两个不同的测量结论，是完全正常或自然的，我们不能苛求两个不同的参照系给出完全相同的时空测量结果（但在狭义相对论中，两个不同的参照系却会归纳出相同的物理规律），因为这毕竟是在两个不同的参照系中的测量。要比较双生子的年龄，我们只能在唯一的一个参照系中进行测量，我们只能使用唯一的一套时空测量标准。在唯一的一个参照系看来，按照狭义相对论，肯定是运动的人会更年轻。
4 关于“时间箭头”的讨论
实际上，不论是在牛顿力学中，还是在狭义和广义相对论中，包括在量子力学中，都没有要求时间只能“沿唯一的方向流动”，在这些理论中，所有的物理过程都是可逆的，我们将这些物理定律中的时间t改为-t，物理定律的数学形式仍成立。狭义相对论中只是说，不同的参照系中，“时间流动的速度”是不同的，或者说，在唯一的一个参照系看来（用唯一的一套时空测量标准测量下），处在不同运动速度下的不同物体（或参照物）上，同一个物体运动过程或变化过程所用的时间是不同的，如果一物体的运动速度接近光速，则该物体上的运动或变化过程就会接近停止，但过程不会反向，除非该物体以超光速运动。但狭义相对论中并没有说，物理过程不能逆向进行，狭义相对论只是说，原来正向进行的过程，在高速运动的物体上（或参照系中），仍会正向进行，原逆向进行的过程，在高速运动的物体上（或参照系中），仍会逆向进行，只不过过程进行的速度变慢了。在广义相对论中，引力有可能导致过程进行的方向与无引力作用时的方向相反。允许物理过程逆向进行，就像允许化学反应可以存在逆反应一样，并不等于允许“时间逆向流动”，也不等于能够进行穿越时间的旅行。
关于时间的方向或箭头问题，是一个充满争议的问题。在物理学中，有多个不对称或不可逆的物理现象都有可能作为时间箭头，其中一种时间箭头与热力学第二定律有关。与热现象有关的物理过程是不可逆的，由此不可逆的过程，可以确定一个方向或箭头，这一箭头就是热力学的时间箭头。其它物理定律，尽管与时间的方向无关，在理想情况下，这些物理过程可逆，但是，绝对的与热现象无关的物理过程似乎根本就不存在，因此，几乎所有物理过程都是不可逆的。热力学第二定律与允许时间反向的物理定律并不存在逻辑上的矛盾，热力学中也讨论可逆过程，尽管当我们试图用可逆的力学定律来解释不可逆的热现象时，遇到了困难。同样，至今还未发现广义相对论理论与热力学第二定律逻辑上相矛盾的地方。或者说，不能倒流的时间观念与引力引起的物理过程的逆向进行并不存在逻辑上的矛盾。牛顿当年就是在他的“绝对时间”的观念下，但也是不可逆的时间观念下，建立了他的允许物理过程可逆的经典力学体系。
霍金在他的《时间简史》一书中，曾讨论过“人的心理学上的时间”。霍金将人的心理所感知的时间也解释为热力学中的时间，即由于过程的不可逆，使人们意识到时间在不断的流淌。返老还童的那个人自己所感知的时间是怎样的呢？如果引力场使那个人返老还童的过程，与返老还童之前的过程一样，都是热力学上的不可逆过程，则那个人就不可能感知到在他的身上时间可逆，在他看来，返老还童是在原先的变老过程之后新发生的过程。如果引力场使那个人返老还童的过程是热力学上的可逆过程，则那个人就有可能感觉到是回到了过去，如果过去的记忆还保留着，并且能够用来与现在的感觉进行比较。但“过去的记忆还保留着”，说明“过去的就是过去的”，时间并没有倒流。如果那个人没有保留过去的记忆，则他就不会感到回到了过去，尽管他已经返老还童了。而且，在别人看来，那个人返老还童的过程还是新发生的过程，是在它变老之后再返童的。
5 广义相对论中一个参照系内部时空测量的绝对性
同狭义相对论中一样，在广义相对论中，不同的参照系，对同一物体或过程会给出不同的时空测量结果，但在一个参照系内部看来，时空仍然是唯一的、绝对的，或者更精确的说，在一个参照系内部，描述物体运动变化的时空的坐标系是唯一的，绝对的，时空测量标准是唯一的，绝对的，时空测量的结果也是唯一的，绝对的。在狭义相对论中，物体运动时，物体的长度或物体上发生的过程所用的时间会变化，或者说，处在不同运动速度下的物体上的时空测量结果是不同的。同样，在广义相对论中，不仅处在不同运动速度下的物体上的时空测量结果不同，而且，处在不同引力场中物体上的时空测量结果也会不同，引力会改变时空测量的结果。但是，处在不同引力场中物体上的时空测量结果也会不同这一结论，不是凭空发现的，而是用该参照系中的唯一不变的时空测量标准所测量出来的，是用参照系中的唯一不变的时空坐标系进行测量和描述的。引力导致的时空测量结果的不同，与运动导致的时空测量结果的不同，除产生不同的原因一个为引力，另一个为运动外，其它并无实质性的不同。如前所述，引力所导致的物体运动过程变慢或变快，甚至反向进行，不能说明参照系中的时空坐标发生变化，也不能说明可以进行回到过去或提前进入未来的时间旅行。在任何一个观察看来，或在任何一个参照系看来，他（或它）的时间坐标是唯一的、绝对的，他（或它）不能回到过去或提前进入未来。
那么，我们该如何理解广义相对论中的“引力导致时空弯曲”这句话呢？在广义相对论中，时空的弯曲程度是用度规张量gij来描述的，或者说是用度规ds2=gijdxidxj来描述的，而ds2=gijdxidxj＝0是对光子运动过程的描述。当时空平直时，对光子运动过程的描述就转化为ds2=dxidxj=0或Σdx2－C2dt2＝0。因此，我们可以说，时空的弯曲是用光传播的描述与一个特别的光传播描述的偏离程度来表述的。在参照系的同一个时空点上，对光传播的描述是唯一的，虽然gij是时空坐标（x、t）的函数，在不同的时空坐标上，具有不同的gij值，但在同一个时空点上，gij的值却是唯一的。虽然在参照系中的不同时空点上，或在不同的引力场中，gij的值是不同的，光子的运动过程是不同的，对光传播的描述也是不同的，在强引力场中，光线可以弯曲，但是，对光子运动的具体测量结果，难道不是在时空测量标准已经明确确定的前提下，是在时空测量标准唯一不变的前提下，通过使用这些标准，通过具体的时空测量而获得的吗？对光子运动过程的描述，难道不是在参照系内唯一不变的时空坐标系中进行的吗？如果认为时空坐标系发生了变化，时空测量标准发生了变化，那么我们对光子运动的测量和描述还有意义吗？而且，我们判断时空坐标系或时空测量标准发生变化的“更为标准的标准”又是什么呢？可以说，“时空的弯曲”是在时空坐标系或时空测量标准已经确定，并且唯一不变的前提下的具体的时空测量的结果。规定了时空坐标系或时空测量标准不会改变，并不等于就规定了不同区域的具体的时空测量结果不会改变，而时空测量结果的改变，正是用不变的时空测量标准所测量出来的结果。在我们所处的宇宙中，对光传播的具体描述，甚至于欧几里德几何是否成立，需要我们在已有明确确定的时空测量标准的前提下，在时空坐标系已经明确确定的前提下，通过使用这些标准，通过实际去对光传播过程和空间关系进行测量才能确定。而我们在选择和规定时空测量标准时，在建立时空坐标系时，并没有、也并不需要对光传播的过程、对时空是不是欧氏平直时空做出规定。因此，即使我们在确定时空标准时，规定了时空标准在时空连续区中处处相同，时空坐标系唯一绝对，我们也可能会测得我们所在的时空不是欧氏平直时空。导致时空弯曲的原因是引力场，而不是时空坐标系或时空测量标准发生了变化，这就如同使物体热胀冷缩的原因是温度的变化，而不是直尺发生了某种变化一样。
在广义相对论中，当时空弯曲时，度规张量gij一般情况下是时空坐标（x、t）的函数，也就是说，在不同的时空坐标处，时空的弯曲程度是不同的，这也说明在广义相对论中，时空坐标（x、t）是唯一的、绝对的，不会发生弯曲的，否则，如果时空坐标（x、t）不唯一，“时空弯曲”的说法就变得毫无意义。在广义相对论中，不仅度规张量是时空坐标的函数，所有物理量，如能量动量张量也是时空坐标的函数，这些物理量的测量，都是在时空坐标系或时空测量标准已经完全确定，并且唯一不变的前提下进行的。这些物理量的测定，并不需要事先知道时空的弯曲情况。这些物理量的测量方法和测量标准，应该是在建立与该物理量有关的物理规律之前，如在建立爱因思坦的引力场方程之前，在定义出时空x、t的测量方法和测量标准的时候同时定义好的。通过对时空测量和这些物理量的测量，我们才能发现时空的弯曲，并归纳出描述这种时空弯曲的张量公式或物理定律，包括引力场方程。我们不能说在得到了广义相对论理论之后，在确定了时空的弯曲程度之后，才能进行时空测量和这些物理量的测量，否则，就会产生因果关系上的矛盾。在广义相对论中，物理公式中的微分已不是平直时空中的普通微分，而是弯曲时空中的协变微分，而协变微分的计算与时空的弯曲程度有关。因此，经典意义上的、以普通微分表示的物理公式，如电磁场方程已不再成立，测量出的电磁场已不再符合经典的电磁场方程。只有当考虑了时空弯曲的影响后，协变微分形式的电磁场方程才能与测量结果相吻合。但这并不能说明电磁场或其它物理量不能直接测量，或要在时空的弯曲程度确定后才能进行测量。
6 结论
在物理学中，当我们谈论时空的时候，不是在谈论时空的测量标准或时空坐标系，就是在谈论时空的测量结果。“时空”一词的含义，除这两个方面外，再无其它含义。否则，我们就会给时空赋予一种类似以太的实体性质。
不论是在狭义相对论中，还是广义相对论中，在一个参照系的内部，时空仍然是绝对的，或者更精确的说，在一个参照系内部，时空测量标准是唯一的、不变的，或时空的坐标系是唯一的，“不弯曲的”。狭义相对论中，不同运动状态的物体上的具体的时空测量结果不同，广义相对论中的不同引力场中的具体的时空测量结果的不同，正是使用这套唯一不变的时空测量标准或时空坐标系所测量出来的，导致不同的测量结果的原因，是由于物体处在不同的运动状态之中或处在不同的引力场之中。
既然在一个参照系内部，时空坐标系是不变的，“时间流动的方向和速度”不会改变，或者说，讨论“时间流动的方向和速度”的改变是毫无意义的，也就是说，在每一个参照系内部，或对每一个观察者说，都不会观察到“时间流动的方向和速度”的改变，因而，也就都不会观察到可以回到过去或提前进入未来的情况出现。对每一个观察者来说，他所看到的时空仍然是“绝对的”，尽管他能测量出引力导致的时空的弯曲或运动所导致的时空测量结果的改变。
但是，不同的观察者，或不同的参照系，将会给出不同的时空测量结果，而且，运动状态或引力场的不同，也会导致对同一物体运动变化过程的测量结果的不同，这种测量结果的不同，是由于该物体处在了不同的运动状态或不同的引力场之中，实际上已不是参照系内部同一个时空点上的物体了。这些观点，才是狭义和广义相对论中的“时空的相对性”的确切含义。
