1700878529
为了支持自己的说法，我要指出这些著名物理理论的一个共同特征，正是这个特征使得它们难以外推至整个宇宙。这些理论都将世界分为两个部分，一部分随着时间变化，另一部分则假设固定不变。前一部分正是有待研究的系统，它的自由度随时间而变；后一部分正是系统之外的宇宙，我们称它为“背景”。
1700878530
1700878531
很多时候，我们不会明确指出背景的存在，但它的确在那里。正是因为它的存在，前一部分世界中的运动才会有意义。即使不直接挑明，当谈论距离时，我们总是需要一个固定的参照物和一把尺子来进行度量；当谈论时间时，我们总是需要一口系统外的时钟来读取时间。
1700878532
1700878533
正如我们在第3章接物游戏中看到的那样，仅当丹尼这个固定参照物存在时，谈论球的位置才有物理意义。想要定义球的运动，我们还需要一个以固定速率运行的时钟。无论是丹尼还是时钟，两者都处在球这个系统之外，无法被球的位形空间描述。我们假设两者始终保持静态，如果没有这些固定的参照物，我们不知如何联系理论的预言和实验的记录。
1700878534
1700878535
将世界划分为动态部分和静态部分是一种人为划分，在宇宙局部系统的研究中，这一划分也是极为有用的。在真实世界中，静态部分往往由系统之外的许多动态部分组成。我们忽略了这些部分的运动及演化，从而构建了一个发现简单物理定律的有效框架。
1700878536
1700878537
对广义相对论以外的许多理论而言，固定的背景中包含了时间和空间的几何结构。它还包含了物理定律的选取，因为这些定律同样不随时间而变。在广义相对论之中，尽管时空的几何得到了动态描述，理论还是假设了一些固定的结构，比如固定的空间拓扑以及固定的空间维度。[1]
1700878538
1700878539
我们将世界一分为二，一部分动态，一部分静态。静态部分支撑动态部分，为我们提供描述静态部分所需的一切。这一方法成就了牛顿范式，但它同时也显示出，牛顿范式不适用于整个宇宙。
1700878540
1700878541
当将这样的方法推广至整个宇宙时，我们遭遇了一个挑战。要研究整个宇宙，那整个宇宙都是动态部分。而在宇宙之外，没有任何东西存在，也就没有任何东西可以充当静态背景，没有任何固定参照物可供我们测量宇宙中的运动。有没有一种方法可以克服这一阻碍呢？我将其称为“宇宙学挑战”。
1700878542
1700878544
背景独立
1700878545
1700878546
想要解决宇宙学挑战，我们就必须发明一个可以适用于整个宇宙的理论。这个理论中，动态个体必须通过其他动态个体来加以定义。这个理论不需要固定背景，也不容许有固定背景。我们称这样的理论为“背景独立”理论。[2]
1700878547
1700878548
现在，我们可以看清宇宙学困局到底是如何被嵌入牛顿范式中的。系统可以存在固定背景，定律可以存在无穷多个解，这些特征预言了牛顿范式在小尺度系统中的成功，也注定了这一范式作为宇宙学理论基础的失败。
1700878549
1700878550
我们有幸生活在这样一个时代，物理学的不断胜利鼓舞着我们可以科学地研究宇宙。此前，我们总是成功地将理论应用于一个大系统的局部。自然而然地，当面对宇宙学困局时，我们会想象宇宙是一个更大系统的局部。在我看来，这就是多重宇宙理论吸引人的地方。
1700878551
1700878552
当在实验室做实验时，我们会控制实验的初始条件。为了测试理论中的假设，我们会不断改变初始条件。而对于宇宙学观测而言，初始条件早已由早期宇宙给出，我们必须反推其中可能的假设。因此，要想通过牛顿范式解释宇宙学观测，我们要做两步假设：
1700878553
1700878554
●假设初始条件到底是什么；
1700878555
1700878556
●假设物理定律到底是什么。
1700878557
1700878558
1700878559
1700878560
普通的盒中物理学研究允许我们改变初始条件，以推导出可能的物理定律。与之相比，宇宙学中的挑战可谓难上加难。
1700878561
1700878562
要同时检验物理定律的假设和初始条件的假设，极大地减弱了观测的检验能力。如果我们的预言与观测不符，就存在两种更正办法：我们可以换个物理定律，也可以换个初始条件。这两个办法都能影响实验观测的结果。
1700878563
1700878564
这引发了新的问题，到底应该更改物理定律的假设，还是初始条件的假设？如果我们观测星系、恒星等宇宙局部系统，我们可以通过检验许多局部系统而将检验限定于物理定律之上。同样的局部系统应受同样的物理定律管辖。如果这些系统之间有所不同，那必定源自它们不同的初始条件。可我们只有一个宇宙，因而我们无法区分哪些效应由物理定律的改变引发，哪些由初始条件的改变引发。
1700878565
1700878566
有时，宇宙学研究确实遭遇了这样的问题。对于早期宇宙理论来说，一个重要的测试来自宇宙微波背景辐射（CMB）。它是早期宇宙遗留下的辐射，使得我们可以一窥大爆炸后40万年时宇宙的情形。在早期宇宙理论中，“暴胀”得到了广泛的研究，即早期宇宙所经历的巨大而快速的膨胀。暴胀稀释了宇宙的初始特征，将它变成我们所见的庞大却又处处几乎相同的宇宙。暴胀预测了宇宙微波背景的特定模式。它的预言和我们的观测结果非常相似。
1700878567
1700878568
数年之前，研究人员声称发现了微波背景辐射的一个新特征：非高斯性。这超出了普通暴胀理论的预言。[3]（在此我跳过非高斯性的定义；我们仅需知道，这一特征可能确实存在于宇宙背景辐射之中，而标准的暴胀模型预言它不会出现。）要想解释观测，我们面临两个选项：我们可以修改理论，也可以修改初始条件。
1700878569
1700878570
暴胀理论也属于牛顿范式，所以它的预言也取决于理论的初始条件。
1700878571
1700878572
在非高斯性的观测文章发表几天之后，就有许多人撰写论文试图解释这一观测结果。有些人改了理论，有些人改了初始条件。所有这些尝试都成功预测了观测结果。事实上，人们早就知道两种方案都管用。[4]和许多前沿的观测科学一样，进一步观测否定了最初的高斯性观测。直至本书成文之时，我们还是不知道微波背景辐射之中到底有没有非高斯性。[5]
1700878573
1700878574
在以上例子中，我们展示了让理论符合数据的两种不同方法。如果是一些参数决定了物理定律和初始条件，那么肯定有两个不同的参数都可以让理论与观测相符。观测人员称这种情况为“简并”（degeneracy）。当简并发生时，通常我们需要引入新的观测并重新做拟合，才能区分二者。但宇宙背景辐射是这个宇宙仅发生过一次的事件的余晖。面对这类观测时，或许我们永远无法破除简并。鉴于目前我们对宇宙背景辐射的测量已经达到相当高的精度，这或许意味着我们真的无法回答到底是应该改变物理定律，还是应该改变初始条件。[6]但是，无法区分物理定律和初始条件各自的效应，意味着牛顿范式在解释自然现象成因时并不是那么有效。
1700878575
1700878577
只是近似
1700878578
[
上一页 ]
[ :1.700878529e+09 ]
[
下一页 ]