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第10章中,我们开始探索这样一个新框架,并提出了指引我们这一探索工作的基本原则。其中最为重要的原则,就是莱布尼茨的充足理由律,它迫使我们回答宇宙作出每一个取舍的理由。充足理由律导出了其他一些原则:全同关系的同一性,解释的自给自足性,单向关系的不存在性。这些原则限定了一个框架,我们必须通过彻底的相对关系来理解自然界中万事万物的一切性质。
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若想实现这些原则的要求,若想发现可行的宇宙学理论,那么,在我看来唯一的方法就是假设自然规律随时间演化。这又要求时间具有真实性和全局性。一个很有前途的进展正是第14章中描述过的形状动力学,形状动力学在广义相对论中重新唤醒了最佳全局时间的概念。
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允许自然规律演化的真实时间,加上我们所列的这些原则,为新的宇宙学理论打下了基础。在本书第二幕第11章至第18章中,我们描述了迈向新宇宙学理论道路上的诸多发展。这些发展还不完备,还没有形成一个自洽的理论。相反,它们是一种愿景:它们告诉我们该如何重构宇宙,又该如何重构宇宙学要承担的任务。虽然所有发展都没有事实依据,但很多发展为可行的实验作出了可被验证的真实预言。无论最终是被实验证实还是证伪,它们至少展示出这样一个事实:从时间真实性的假设出发,我们能得到一个更具科学性的宇宙学理论。
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真实的全局时间也能帮助我们解决其他一些物理学的未解之谜。举例来说,我们需要超越量子力学的统计式预言,才能描述并解释单个事件中到底发生了什么。在第12章和第13章中,我描述了两种通往更深层次量子理论的方法。这两种方法都要求时间是最为基本的。这两种方法与量子力学之间似乎有着非常大的差距,我们或可以通过实验对它们加以区别。
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另一个时间真实性大显身手的场合,就是描述宏观世界的行为。宏观世界演生出了热力学,也一并演生出了温度、压强、密度、熵等概念。在经典层次,时间似乎拥有很强的方向性,我们可以识别出许多时间箭头,它们可以显著地区分过去和未来。有些理论中,时间不是基本的,而是演生的,宇宙的时间非对称性在这些理论中令人费解。时间非对称性要求我们把这个世界最为显然的特征,归因于极不可能的初始条件选择。如果我们认为时间是真实的,并认为宇宙的终极理论如宇宙一般具有时间不对称性,我们就能避开这一困难。
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然而,我们一方面要论证时间的真实性,另一方面又要论证“宇宙各处正在发生什么”这个问题有没有意义。这里,“正在发生”指的是和我们感知的时间流逝同步发生。全局时间观意味着,我们所感知的时间流逝可以被宇宙各处共享。当然,这直接违背了狭义相对论和广义相对论中的同时的相对性原理。我们必须直面这个冲突。因为同时的相对性,以及真实是一种共享概念的观点,产生了我们在第6章中所述的块状宇宙图景。在块状宇宙中,我们日常感知中最基本的部分——时间的流逝,并不是真实的。
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有人会试图调和时间的真实性和同时的相对性之间的矛盾。这样做,要么需要唯我论的现实概念,要么需要因观测者不同而不同的现实概念。这些现实观中,真实的现在和尚未真实的未来之间没有客观区别,也没有所有观测者都能认同的区别。而且,正如我强调的那样,在超越量子力学理论或理解空间演生的过程中,全局时间假设对我们有莫大的帮助。还有一点值得注意,全局时间假设并没有和证实狭义相对论的实验观测相矛盾。在形状动力学中,我们看到过这一点。最后,自然界中是否确实存在最佳全局时间,还是要靠实验来判断。这也正是我赞同这一假设的原因,它可以作出可被实验验证的新的预言。
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一个终极困局
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自然规律随时间演化的观点作出了一个承诺:基础物理学会因此变得更具预言能力。但这也把我们带到了一个终极困局面前:我们自然会问,存不存在一种掌控自然规律演化的规律。我们称这样的规律为“元规律”(meta-law)。元规律作用于规律之上,而不直接作用于基本粒子之上。观测元规律的作用可能很难,因为它可能只现身于诸如大爆炸之类的巨变之中。然而,如果我们希望得到一个关于我们宇宙的完整解释,得到一个完全满足充足理由律的解释,难道元规律不该包含在内吗?
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假设元规律确实存在。难道我们不应该探究为什么是这个元规律而不是那个元规律,在掌控自然规律的演化吗?如果元规律可以从过去规律的基础上制造未来的新规律,那么“为什么是现在这些规律”的部分解释就取决于过去的规律。因此,我们无法回避“为什么是这些初始条件”这个问题。元规律假设能引发无穷的递归,例如,为什么是这些元规律,是否还有元规律的元规律?这是困局的一面。困局的另一面在于,可能根本就没有元规律。如果这是真的,那么物理定律的进化过程就掺杂着随机因素。我们回到了同样的结果:不是一切事物都存在一个解释,在最为基础的科学层面,充足理由律没有得到遵守。我和罗伯托·昂格尔将这一困局称作“元规律困局”(meta-laws dilemma)。
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第一眼看,元规律困局无解。可在反复思考数年之后,我相信这一困局其实是一次绝佳的科学机遇,它刺激我们探索出一个能够将其解决的新理论。我对元规律困局的解决很有信心。我相信,这个解决方案将开启21世纪宇宙学和基础物理学突破的大门。
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对部分统计式的元规律来说,元规律困局可被宇宙自然选择假说(见第11章)临时性地回避。假想每次宇宙大反弹时,标准模型的参数都会发生略微变化,我其实描述了一种元规律。这种元规律可以部分地回避元规律困局。当然,我们很希望知道参数改变究竟如何发生,我们很希望能够描述参数的随机改变机制。诸如圈量子引力论或弦论之类的量子引力理论(人们首先在弦论的背景下提出了这个想法),或许能使我们更深入地了解这个问题。但即便没有更深入的了解,宇宙自然选择假说本身可被证伪,也具有解释能力。
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先例原则是元规律的另一种形式。先例原则具有部分统计性。同宇宙自然选择假说一样,它能够回避(至少是推后)元规律困局。对于一个困局来说,即便是推后也能让我们收获颇丰。它打开了通过实验检验假设的空间,并最终提出了新的问题和解决方案。但是,想要彻底解决元规律困局,驱动自然规律演化的动力学,一定和我们熟知的规律有很大差别。这些差别非常大,不会再产生“为什么是这些元规律”“为什么是这些初始条件”等问题。
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通用原则
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以下让人意外的方法可以解决元规律困局:假设两个元规律提案可以等价——也就是说,在规律进化过程中,两者的效应相同。[1]世界上存在“计算的通用性”原则,或许也存在“元规律的通用性”原则。在计算机科学领域,“通用性”是指,如果一个方程可以被一台计算机用于计算,一定也可以被其他计算机用于计算,无论其他计算机用的是什么操作系统。元规律的通用性原则与此类似。它认为,讨论实际运行的是哪个元规律并没有什么意义,因为两个元规律给出的所有实验预测完全相同。
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还有一种超越牛顿范式的科学宇宙学方法,即将定律和位形结合起来。这样一来,我们就不必分别知道定律和位形。我们仅需知道二者的结合体——“元位形”(meta-configuration),它同时包括了二者的信息。这个观点符合一个假设,即所有的真实都是当下的真实。从某种意义上说,当一个定律作用于一个位形时,它的具体形式也是当下的一部分。定律的具体形式和位形的具体形式不可能有太大的差别,所以我们将它们统一为一个元位形。伽利略统一了尘世和天堂。现在,是时候统一它们的“影子”了,我们要统一受时间约束的位形和独立于时间的自然规律。
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驱动元位形进化的规则非常简单,我们可以用通用性原则对其加以解释。初始位形的选择,可以同时指明初始物理定律以及初始条件。元位形的一些成分演化得快,一些成分演化得慢。前者可算作位形,后者可算作定律;前者的演化由后者决定。但从长远来看,定律和位形之间的区别并不存在。我依此想法构造了一个模型。只是目前为止,这个模型离现实世界还有段距离。[2]
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元规律的通用性、元位形,再加上先例原则、宇宙自然选择假说,我们已经有四种方法解决元规律困局。需要承认,这些方法还很原始。毫不夸张地说,21世纪宇宙学的发展方向将由元规律困局的解决方案决定。
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宇宙是唯一的,只发生一次
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在本书开始的几章,我质问了数学在科学中的地位。在本书结束之前,我将很快回到这一主题。因为我们应该看到,时间的真实性对于数学在物理学中的地位有着很重要的影响。
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在牛顿范式中,不含时间的位形空间被描述成数学对象。物理定律可由数学对象表示,它们的解也可由数学对象表示。这些解便是系统可能的历史。数学所对应的并不是真实的物理过程,只是物理过程的完整记录——从定义上看,这些完成了的记录独立于时间。然而,这个世界一直是一束随时间演化的过程的集合。其中只有一小部分,能被独立于时间的数学对象代表。
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牛顿范式无法拓展到整个宇宙。正因如此,对应于整个宇宙历史的数学对象没有必要存在。对于宇宙整体而言,由数学对象表达的永恒的位形空间和永恒的物理定律都没有必要存在。
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约翰·惠勒曾在黑板上写下公式后,退到黑板旁说:“现在我开始拍手,就会有宇宙蹦跳着成为现实存在。”当然,宇宙并没有这样做。[3]霍金在《时间简史》中问道:“是什么将火焰吸入了方程之中?是什么让宇宙为方程所描述?”这些问题揭示了“数学先于自然”的观点的荒谬之处。在真实的世界中,自然之后才有数学,数学没有产生事物的能力。换句话说,数学结论受到逻辑推理限制,而自然事件由时间中的因果过程产生,二者并非同一事物;逻辑推理可以对因果过程的一些方面进行建模,但它不等同于因果过程。逻辑不是因果的镜像。
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逻辑和数学抓住了自然世界的某些方面,却没有抓住整个自然世界。真实宇宙的一些方面永远不能通过数学加以表现,比如,真实世界中总有一些特别的瞬间。
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