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在打击时间的物理性上，广义相对论还有最后一击。认为时间真实、基础的观点往往暗示时间不能有起点。如果时间有起点，那么这一起点一定能被时间之外的某个概念加以解释。如果时间确实可以被某种独立于时间的概念加以解释，那么时间就不是基本的，它可能由更为基本的概念演生而来。现实是，在所有成功描述宇宙的广义相对论方程解中，时间总是有起点。
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1916年，在广义相对论发表还不到一年的时候，爱因斯坦开始将它应用于整个宇宙。他想象中的宇宙是球壳般有限却没有边界的。这是影响深远的一步：第一次有人将整个宇宙视作有限、自给自足的系统。宇宙就只有这么大，没有任何办法到外面去；“宇宙之外”毫无意义。
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为了使宇宙封闭，爱因斯坦假设任何用于测量时间的时钟都在系统之内。他之所以能做到这一点，归因于广义相对论的一个新特征，即我们可以随意选取时钟测量时间、随意选取尺子测量空间。无论对时间和空间的测量是多么混乱，广义相对论方程依然运作良好。由此，我们不再需要通过系统外的特别时钟测量时间。[12]将选取系统外时钟的必要性取消，意味着广义相对论朝着相对关系理论的方向前进了一大步，但它依然基于牛顿范式。具体来说，它可以被描述为，不随时间而变的物理定律作用于不随时间而变的位形空间。
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起初，爱因斯坦在寻求一个有限空间且永恒不变的宇宙模型。我一直认为在原创性上，爱因斯坦在物理学家中无出其右。可这里，他的想象力却稍显匮乏：在他的设想中，宇宙静止且永恒。爱因斯坦并未考虑其他可能性，永恒静止的宇宙存在一个问题。万有引力使得物质相互吸引，最终将它们聚在一块。这意味着，如果引力作用于整个宇宙，就会导致宇宙的收缩。假设宇宙在膨胀，引力将使得膨胀变慢；假设宇宙既不收缩也不膨胀，引力会使它开始收缩。由此，爱因斯坦本应该这样预测：随着时间流逝，宇宙要么膨胀要么收缩。但是，爱因斯坦希望寻求一个静态宇宙，为此他修改了广义相对论。这导致了一个意料之外的发现，这一发现直到最近才被实验所确认。
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为了平衡引力导致的收缩，爱因斯坦在公式中加入了一个新的项，以使宇宙可以膨胀。这一项包含一个新的自然常数，用以表征真空中的能量密度，爱因斯坦称之为宇宙学常数（cosmological constant）。最近对宇宙加速膨胀的观测有力地支持了宇宙学常数的存在。对于宇宙加速膨胀的成因，一个更为一般性的名字是暗能量（dark energy），当暗能量在宇宙的任何地方、任何时间均为常数时，它就能被描述为爱因斯坦的宇宙学常数。目前为止的观测与常数假设相符，不过许多宇宙学理论都要求，暗能量最终要有一些改变。
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我认为爱因斯坦并没有预见到他的常数有朝一日能够被实验观测，可它确实被观测到了。宇宙学常数的实测结果非常非常小——这引发了巨大的结果。宇宙学常数极小，你需要将它在宇宙各处的效应相互叠加。这使得宇宙受制于两种截然相反的力：物质的引力使得宇宙收缩，宇宙学常数使得宇宙加速膨胀。
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在爱因斯坦的静态宇宙中，这两种力相互平衡。但还有一个问题：这种平衡并不稳定。对静态宇宙稍作扰动，它就立即会开始永远的收缩或永远的膨胀。宇宙拥有大量运动着的恒星、黑洞、引力波，它们都可以对宇宙产生足够多的扰动。想要长时间使宇宙处于静态，并不可能。
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从以上讨论中，我们得出一个令人震惊的结论：宇宙一定拥有历史，它可以膨胀、可以收缩，但不会永远静止不变。20世纪20年代，多位天文学家和物理学家发现了广义相对论方程的其他解，这些解对应于膨胀的宇宙。极为幸运的是，天文学家爱德文·哈勃（Edwin Hubble）在1927年发现了宇宙膨胀的证据——宇宙膨胀意味着宇宙一定有一个起点。事实上，任何膨胀宇宙模型都预言了宇宙的原初时刻。
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这些解最早由亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）、罗伯逊（H.P.Robertson）、阿瑟·沃克（Arthur Walker）和乔治·勒梅特（Georges Lemaître）提出，因此我们称之为FRWL宇宙模型。FRWL宇宙模型非常简单，它假设宇宙处处相同，具体来说是假设宇宙各处的物质和辐射密度相同。在FRWL宇宙模型中，宇宙的起始时间、宇宙物质和辐射的密度趋于无穷，引力场的强度也趋于无穷，在那一刻，宇宙是一个奇点。广义相对论在那一点上不再适用，它无法借由此刻的条件推演出未来。正是这些无穷的出现使得广义相对论方程失效了。
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大多数物理学家认为广义相对论方程之所以失效，是因为所研究的宇宙模型还是过于简单。他们认为，如果在模型中加入更多细节，比如，加入存在于宇宙局部的恒星、星系、引力波等特征，原初奇点可以被彻底消除，我们可以回溯到奇点之前的时间。在超级计算机出现之前，彻底研究相对论方程的解是一项不可能的工作，因而验证以上假说非常困难。换句话说，以上假说几十年来一直没有被物理学家抛弃的原因，正是因为它很难被检验。然而最终，这一假说还是被证明是错误的。20世纪60年代，伟大的宇宙学家、物理学家史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯证明，任何可以用于描述宇宙的广义相对论解都存在奇点。
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如果广义相对论真是我们这个宇宙的正确描述，那么我们不得不得出这样的结论：时间不是基本的。否则，我们会遭遇一系列尴尬的问题，比如，时间开始之前发生了什么？什么产生了宇宙？我们还会遭遇一类更为复杂的问题，它们有关于永恒的物理定律：如果物理定律真独立于时间的话，那么在宇宙开始之前，这些规律到底在支配什么？很明显，我们不得不说，宇宙开始之前就没有时间。这也意味着较之时间，物理定律源自这个世界更深的层面。
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在一些广义相对论方程的解中，宇宙无限膨胀、无限稀释，在这些宇宙中，时间是没有尽头的。然而在另一些解中，宇宙在膨胀到极大值之后开始坍缩，直至大挤压（Big Crunch）。大挤压之时，许多可观测量又一次趋于无穷。这些宇宙中的时间存在尽头，时间的起始与终结对于块状宇宙图景完全不成问题。在这一图景中，唯一的现实是将宇宙的全部历史当作一个独立于时间的整体。时间有始有终，但不会削弱它的真实性。事实上，这些针对广义相对论宇宙模型存在时间奇点的研究，增强了块状宇宙观的说服力，因为它们发现，相较于物理定律，时间并不基本。
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至此，我们走完了驱逐时间的旅途，我们将时间驱逐出物理学对于自然的描述。旅途的开始，我们同伽利略和笛卡儿一样，将物体运动状态图形化并将时间冻结，在图形化的过程中，时间变得像是另一维空间。在相对论理论中，这些运动的图形化升级为时空，时间的真实性受到了进一步打击。宇宙的整段历史是一幅独立于时间的图景，任何当下都不真实。块状宇宙观变成了我们唯一的选项。在这种时空观中，宇宙的全部历史是一个不随时间流逝而改变的整体。既然实验已经很好地证实了狭义相对论和广义相对论，那么我们这些物理学家就应当接受这样一个独立于时间的现实的存在。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876968]
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
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在纽约格林威治村的表哥家中，我度过了进入罕布什尔学院（Hamp-shire College）后的第一个寒假。一天早上，我搭乘地铁来到了曼哈顿中城区的一家豪华宾馆。这里，我参加了人生的第一个物理学会议——“第6届得克萨斯相对论天体物理学研讨会”。当时，我并没有收到会议邀请，也没有进行注册，但我还是接受了我的物理学教授赫伯·伯恩斯坦（Herb Bernstein）的建议，过来看看。会上，我没有一个熟人，却非常巧地碰到了来自加州理工学院的基普·索恩（Kip Thorne）4。他告诉我，想要学好广义相对论，就一定要读他和查尔斯·米斯纳（Charles Misner）、约翰·惠勒新近合写的引力教科书。[1]我还遇到了年轻的美国数学家莱恩·胡斯顿（Lane Hughston），他当时正在牛津大学学习。胡斯顿花了一个小时时间向我解释革命性的扭量理论（twistor theory），随后，他将我介绍给了扭量理论的发明人——罗杰·彭罗斯。
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一个分会上，我坐在过道的旁边。这时，一个坐着电动轮椅的人经过了我的座位。那个人，就是史蒂芬·霍金。那一年，霍金早已因广义相对论方面的工作名满天下（一年之后，他提出，黑洞具有温度，这一发现震惊了物理学界）。接着，一个举止优雅、蓄着大胡子的高大男人来到了霍金面前，与他一番攀谈后，应邀上了讲台。这个男人正是物理学大师布莱斯·德维特（Bryce DeWitt）。现在，我已回想不起那天他到底讲了什么，可我记得，他和他的量子宇宙学方程，在当年对我而言早已如雷贯耳。那天，我没有鼓起勇气与两人中的任何一位交谈，但我怎么都没想到，7年之后，在我完成博士学位之时，这两位科学巨人会邀请我与他们一起工作。
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布莱斯·德维特、约翰·惠勒、查尔斯·米斯纳、史蒂芬·霍金，他们都是孕育新学科的先驱，这门学科名叫量子宇宙学。量子宇宙学试图融合广义相对论与量子力学。现代物理学中的去时间化在量子宇宙学中也达到了巅峰。在这些先驱所描述的量子宇宙之中，时间不仅是不必要的，也是完全不存在的。量子宇宙极为简单，它既不膨胀也不收缩，既不演化也不改变。
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这里我必须强调，在理论物理学的诸多分支中，量子宇宙学尚不成熟。它充满想象、天马行空，与实验观测没有多少确凿的联系。较之量子宇宙学，相对论给出了更为权威的自然图景，在被无数实验反复确认后，我们依然震惊于相对论所给出的超准确的预言。
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要谈量子宇宙学，要从量子力学开始，它是盒中物理学的成功范例。我会先解释一些相关基本概念，它们会告诉我们如何在量子力学体系中搭建亚宇宙系统，这将为下一步的讨论铺平道路。我还会介绍量子力学迈向现代物理过程中的两步重要外推。第一步，统一量子力学和广义相对论，我们将得到一个量子引力理论。在迈向统一的过程中，我们有很多不同选择。虽然我们尚无法通过实验确定哪条道路才是正途，但我们积累了足够的知识，可以一窥终极统一理论的轮廓。这些知识足以将我们推至第二步：将这个宇宙收入量子理论的体系中。最终，一个没有时间的世界出现在我们眼前。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876969]
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冻结的量子宇宙
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量子力学极为成功地描述了原子、分子等微观系统。这绝非溢美之词。为了彻底理解量子力学，人们发明了许多全然不同的诠释。什么是时间？量子理论是否适用于整个宇宙？对于本书这两个关键问题，这些诠释有着各自不同的答案。[2]