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让我们先看一下暗能量密度随宇宙膨胀不变的场景。如果暗能量密度是个常数，那暗能量的行为就如同爱因斯坦的宇宙学常数。它不会随着宇宙的持续扩张而降低。暗能量之外的一切事物（比如所有物质和辐射）都会在宇宙膨胀的过程中被不断稀释，这些成分的能量密度之和将逐步降低。几百亿年后，除了同宇宙学常数相关的能量密度之外，一切事物都可以被忽略。
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以上场景非常简单，我们知道其中发生的许多细节。宇宙呈指数级膨胀的后果之一是，星系团之间的距离将快速增长，最终会导致一个星系团再也看不到另一个星系团。离开一个星系团的光子以光速向另一个星系团运动，可它赶不上两个星系团的分离速度。每个星系团中的观测者都拥有一个视界，他们看不到视界之外的邻居。于是，每个星系团都是一个孤立系统。视界的内边界就是某种意义上的盒子，将子系统同余下的宇宙相互隔离。所以，盒中物理学适用于每一个这样的星系团——这意味着，我们可以通过热力学对这些系统进行推理。
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故事发展到了这里，一个源自量子力学的新效应开始现身。它会使视界内部充满处于热平衡态的光子气体——光子气体产生的过程类似黑洞霍金辐射。它被称作“视界辐射”（horizon radiation）。视界辐射的温度非常低，其密度亦然。但是，随着宇宙的膨胀，温度和密度会保持常数。与此同时，包括物质和宇宙背景辐射在内的一切其他事物，都会被不断稀释。在足够长的时间之后，宇宙将会充满视界辐射，宇宙也将抵达热平衡态。
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平衡态将永远持续下去，没有任何办法可以避免宇宙终结于永恒的玻尔兹曼状态。平衡态的宇宙会有涨落和初态回归。当然，这样或那样的宇宙位形会非常偶然地反复重现——其中包括了玻尔兹曼大脑场景。在第16章中，我对玻尔兹曼大脑进行了描述，将其视作否认牛顿范式的终极归谬论证。按照这样的场景，貌似充满复杂性的宇宙历史，不过是宇宙在重回平衡态过程中的电光石火。
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我们几乎百分百地确信，我们并非玻尔兹曼大脑。如果我们是（见第16章），我们将很可能看不到周遭这个广袤而有序的宇宙。我们不是玻尔兹曼大脑，就意味着这样的宇宙未来不是真的。充足理由律导出了全同关系的同一性，后者要求这样的场景必须不是真的。而问题在于，如何才能回避这样的场景？
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要想避开永恒的死寂宇宙，最简单的方法就是假设宇宙拥有足够大的物质密度，它可以使宇宙膨胀停止，并开始坍缩。物质通过引力吸引其他物质，这种相互吸引减慢了宇宙膨胀的速度。如果宇宙中的物质足够多，它终将坍缩回奇点状态。或许，一些量子效应能在适当时机停止坍缩，让宇宙“反弹”，让坍缩中的宇宙膨胀出新的宇宙。但是，现实中宇宙似乎没有足够多的物质可以让膨胀停止，更别说对抗不断让自己加速膨胀的暗能量了。
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第二种避免永恒的死寂宇宙的简单方法，便是假设宇宙学常数其实不是常数。我们有证据证明，在宇宙目前的年龄尺度上来看，暗能量密度是不变的——从各种意图和目的上来看，暗能量就是宇宙学常数。但是，我们没有证据证明，在更长的时间内，这个常数会不会发生变化。宇宙学常数的变化原因可能来自某个更深层次的定律。这个定律发挥作用的过程非常慢，我们只能在一个相当长的时间尺度上，才能感知其存在。或许，宇宙学常数的变化，仅仅是一种定律演化所带来的效应。事实上，单向作用的不存在性认为，既然宇宙学常数能够明显地影响宇宙的演变，那么宇宙的演变也将改变宇宙学常数。
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宇宙学常数不会衰减至零。如果宇宙学常数为零，那么宇宙膨胀就会减慢，但不太可能会反向收缩。宇宙可能是永久的，但不会是静态的；它能避开玻尔兹曼大脑悖论。
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宇宙学常数为零的宇宙膨胀与否，最终取决于宇宙的初始条件。如果最终，膨胀的能量足以克服万事万物之间的引力势能，那么宇宙就永远不会坍缩。但是，即便宇宙是永恒的，它也有充足的重生机会。因为宇宙中的黑洞，可能通过量子效应消除其中的本征奇点，从而催生新宇宙的诞生。如同在第11章中提到的那样，我们有足够的理论证据，证明这一过程会必然发生。
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如果事实确实如此，那么离死期尚远的我们的宇宙，早已孕育了1018个以上的后代。这些宇宙后代还将孕育各自的宇宙后代。在繁衍如此之多的后代之后，宇宙必有一死的事实似乎显得无足轻重。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700877023]
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宇宙重生
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获得重生的还可能是整个宇宙，而不仅仅是其中的黑洞。这一假设下的一类宇宙学模型，被称作“循环宇宙模型”（cyclic models）。普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和圆周理论物理研究所的尼尔·图罗克（Neil Turok）发明了一种特别的循环宇宙模型。在创立这一模型的过程中，他们假定宇宙学常数会不断变小，直至为零，再变为大的负值。[4]这一过程会使得整个宇宙急剧坍缩（原因不再赘述）。然而，他们认为，一个反弹、再膨胀的过程将紧接着坍缩过程发生。反弹的原因或来自量子引力效应，或由于暗能量的极端取值。
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由于存在量子效应，宇宙在终极奇点处反弹并再度膨胀，这一论断的理论证据比前述黑洞奇点模型还要充分。[5]在圈量子引力论的框架内，人们已经研究了若干种宇宙学奇点附近的量子效应模型，这些模型都预测了宇宙大反弹现象。然而我们需要加倍小心，这些研究仅仅是模型。在建模的过程中，人们做了很多假设。其中一个关键假设是，宇宙具有空间均质性。我们确信的是，宇宙中的高度均匀区域将会反弹产生新的宇宙。在这些高度均匀的区域中，不存在引力波或黑洞。
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在最差的情况下，那些高度均匀的区域也不会发生大反弹，这些区域只会坍缩为奇点。它们是时间的尽头。然而，即便在这种最差的情况下，我们仍有一丝希望：此类情况为我们提供了一种选择机制，可以帮我们决定哪些宇宙区域会坍缩，哪些宇宙区域会反弹并重生。如果仅有高度均匀的区域反弹，那么反弹后产生的新宇宙也会变得高度均匀。[6]这作出了一个预言：刚刚经历反弹的宇宙，具有高度的均质性，这样的宇宙中没有黑洞、白洞、引力波，正如早期的宇宙那般。
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若想宇宙大反弹模型呈现出科学性，它必须作出至少一个能被实验验证的预言。我们至少有两个这样的预言，这两个预言都和宇宙微波背景辐射的涨落谱有关。宇宙微波背景辐射中的某些涨落其实并不需要暴胀理论来进行解释，但人们常常认为暴胀理论是它们产生的唯一原因。循环宇宙模型为解释这些涨落提供了额外的选择。我们已经基于循环宇宙模型重现了我们所见的涨落谱。但是，循环宇宙模型的预言和暴胀模型的预言有两点不同，这些不同可以在现在或不久之后的实验中得到检验。其中一个检验是，看看宇宙微波背景辐射中有没有引力波信号：暴胀模型预测了引力波的存在，而循环宇宙模型预测它们不存在。循环宇宙模型还预测了宇宙微波背景辐射的不完全随机——更技术地说，它预测了非高斯性的存在。
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循环宇宙模型认为时间是基础性的，即时间不始于大爆炸，而存在于大爆炸之前。这个观点催生了一个更具预言能力的宇宙学理论。其他一种理论则假设，在早期宇宙环境中，光速是不同的，而且可能比现在更快。这类理论被称为“光速可变理论”（variable-speed-of-light theories）。它们以一种违背相对论的方式，选出了一种时间的最佳定义。因此，这类模型并不流行。但是，无须暴胀模型，它们便有可能解释宇宙微波背景辐射中的涨落。
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罗杰·彭罗斯提出了另一种宇宙重生的场景。[7]大概来说，他接受了宇宙是个永恒的玻尔兹曼宇宙，宇宙学常数是个固定值的观点。然后，他问了这样的问题：在无穷长的时间之后，宇宙会发生什么？（也只有罗杰·彭罗斯会问这样的问题。）他怀疑在某个时间点后，所有带质量的基本粒子会发生衰变，其中包括质子、夸克和电子，而且只有光子及其他零质量粒子得以存在。如果真是这样，那么我们便没有任何方法测量时间的无限流逝。因为，对于以光速运动的光子来说，它完全感知不到时间。对于光子来说，晚期宇宙的永恒和早期宇宙的永恒没有任何差别，两者之间唯一的区别在于温度。诚然，两者间的温度相差极大，可这也只是一个尺度上的差距。彭罗斯认为，尺度上的差距无关紧要。对于一团可用相对关系加以描述的光子气来说，真正要紧的是彼时事物之间的比例、互相之间的对比；而系统的整体尺度无从探测。所以，对于充满了冷光子和其他零质量粒子的晚期宇宙来说，它和充满了同样粒子的炙热的早期宇宙没有什么差别。根据全同关系的同一性原则，一个晚期宇宙同时也是一个正在诞生的新宇宙。
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彭罗斯提出的场景仅在无限长的时间后发生，所以它解决不了玻尔兹曼大脑悖论。可是它预言，大爆炸的遗迹中包括过去宇宙留下的化石。通过这些化石，我们便可以收集有关早期宇宙的信息。虽然大多数过去宇宙的信息都被永恒的平衡态“扫清”，但一种信息的载体永远不会变得无序，即引力波。通过引力波，信息可以穿越循环宇宙模型中的大反弹，进入新的宇宙。
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在这些引力波中，最强的信号来自大黑洞之间的碰撞。这些大黑洞曾隐藏于那些早已消逝的星系中央。碰撞的涟漪向外传播，在天空中形成了一个个大圆。引力波的传播永不停歇，它们活过了新旧宇宙的过渡期。于是彭罗斯预测，在宇宙微波背景辐射中，我们应当能看到这些大圆。而宇宙的早期历史锁定了宇宙微波背景辐射的结构。那些大圆，是宇宙中过去发生事件的阴影。
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此外，彭罗斯预言，在宇宙微波背景辐射中，应该有许多同心圆的存在，这些同心圆来自星系团。随着时间推移，不只一对的星系黑洞会在星系团中碰撞。这是个惊人的预测，它和大多数宇宙学模型预测的宇宙微波背景辐射模式不同。如果这些非常模式能够被验证，它便可以算作彭罗斯模型成立的证据。
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在撰写本书时，宇宙微波背景辐射中是否存在彭罗斯所预测的同心圆引发了一场争议。[8]不管争议的结果如何，我们又一次看到这类循环宇宙模型作出了可被观测证实或证伪的预言。另一类模型与此大相径庭，这类模型预测有许多个宇宙同时存在，而我们的宇宙只是其中之一——此类场景还没有作出任何真正的预言，大概也没有作出真正预言的能力。
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在第10章中，我论证过，想要对我们的宇宙的某个特定规律或初始条件进行合理解释，我们需要进行不止一次的选择，否则我们便无法得知选择的原因——如果同样的物理定律和初始条件反复出现，背后肯定存在某些原因。我考虑了两种大爆炸序列的组织办法——同时式的以及序贯式的。在我看来，只有在后一种情况下，我们才能得到一个满意的宇宙学理论：它既能回答“为什么是这些定律”这个问题，又能作出可被实验证伪的预言，从而确保科学性。在本章，我再次比较了宇宙的这两种组织方式。我们已经看过了许多细节，这些细节告诉我们，只有序贯式的宇宙序列才能为可行的实验作出可被验证的真正预言。
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因此我们看到，如果承认时间的真实性和基础性，承认要想理解今日的宇宙就必须了解宇宙的历史，我们就能让宇宙学理论更具科学性，我们的观点也更容易被实验证实或证伪。形而上学的前提为科学加上了重担，它认为，科学的目的是发现由永恒数学对象组成的永恒真理。某些信奉这些前提的人试图消除时间，使宇宙类似于一个数学对象。他们认为这是科学宇宙学的正途，然而，事实被证明恰好相反。正如哲学家查尔斯·皮尔士在一个世纪前理解的那样：“想要解释自然规律，就必须接受它随时间演化的观点。”