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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
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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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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]
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在我看来，想要挑出最佳的量子力学诠释，我们必须先谈谈科学的目的。我们中的许多人认为，科学，就是为了描述真实的自然。尽管无法事必躬亲、一一去看，我们仍然相信科学为我们绘制了一个真实的世界。但是，量子力学会让你失望了，因为它无法给予你单个实验中的自然图景，也无法告诉你在这个实验中到底发生了什么。
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量子力学奠基人尼尔斯·玻尔认为，这样的期望差源于人们对科学之目的的错误认识。量子力学并没有错，是人的期望本身有问题。玻尔声称，科学理论是一套描述世间万物运行逻辑的规则，是一门交流观测结果的语言，但它的目的并不包括描述真实的自然。
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在量子理论中，我们常常假设世界充满了积极的干预。这是因为量子理论包含了实验者施加于微观系统的诸多影响。它可以将微观系统从外界环境中隔离，为进一步研究做好准备；它可以将系统暴露于外界环境之中，借此对系统加以改变；它可以通过各种装置测量系统，读取它关心的信息。我们将以上准备、改变、测量的步骤数学化，这便是量子力学。以上论述中，我们强调了可以施加于量子系统的操作。我们称其为“量子物理中的操作主义”。
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在一个系统的量子力学描述中，“量子态”（quantum state）扮演了中心角色，它包含了观测者在准备与测量系统过程中所知道的全部信息，这种信息是有限的。在很多情况下，我们无法借此预测出构成系统的粒子究竟身处何方。相反，量子态描述了一种概率分布。它告诉我们如果进行测量，这些粒子可能会出现在何处。
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以原子为例。它由原子核以及核外电子构成。你或许会想，对于原子系统最准确的描述必然包含每个电子的位置信息。系统位形空间中的每一个位形，代表了这些电子位置的某种排列组合。但在量子力学中，针对每一个位形，理论只能告诉你找到这个位形的概率。[3]
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如果某个理论仅仅以概率的形式告诉你一个预言，你将如何检查这个预言的准确性呢？回想一下，我们说抛落的硬币有50%的概率正面朝上。要想检验这一点，抛一次绝对不够。只抛一次的话，硬币要么正面朝上，要么反面朝上，两者都无法证伪50%的概率正面朝上这个说法。
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想要真正检验这个说法，你需要多次抛出硬币，并记录下正面朝上的概率。随着抛硬币次数的增多，你会发现正面朝上的概率不断趋近50%。检验量子力学概率式预言的方法也差不多：我们需要不断地重复同一实验。[4]只测一次量子系统，就好比只抛一次硬币：你将得到随机的结果，不管怎么看，它都与概率预言相符。
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以上方法仅对小的孤立系统有效，氢原子便是其中一例。为了检测预言，我们需要准备许多全同的系统拷贝，这是因为预言是概率式的。只有一个系统的话，我们什么都检验不了。同时，我们必须对这些系统加以操作：要将它们调到我们感兴趣的初始量子态，要测量它们具有的一些物理量。如果我们确实想要准备这么多系统拷贝，这种系统以及它的每一个拷贝势必是这个宇宙中的一小部分。特别值得注意的是，测量系统位形所用的坐标系以及仪器，应该处于这个小系统之外。
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这样看来，量子力学似乎仅适用于孤立系统。这是盒中物理学的延伸，也是牛顿范式的延伸。为了更透彻地理解量子力学与孤立系统之间的联系，让我们来看看人们对时间的描述是如何演变的。
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