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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 引言 美妙的意外，皆源于时间的惊涛骇浪
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在科学中，时间是一种假象的观点强大且难以撼动。反过来看，接受时间的真实性势必会引发惊涛骇浪。
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作为物理学家，我们反对时间真实性的核心理由往往基于我们对物理定律的理解。根据物理学的主流观点，宇宙中所发生的一切皆有规律可循。这些规律分毫不差地决定了如何从现在演化出未来——这些规律是绝对的。关于现在的初始条件一旦给出，未来如何演化就会被唯一确定，不留任何自由度与不确定性。
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在汤姆·斯托帕德（Tom Stoppard）的剧作《阿卡狄亚》（Arca-dia）中，早熟的女主角托马西娜（Thomasina）对她的私塾老师这样说道：“倘若你能让每一个原子停下来，记下它们的位置与行进方向，理解它们的运动，那么只要你的数学足够好，就可以写下一个公式，它能够成功地预言所有的未来。虽然现实中没人可以聪明到做到这一点，但那个公式一定存在。因为理论上，我们可以做到。”
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作为一位理论物理学家，我曾经认为自己的工作就是寻找这样的全能公式。但现在我相信，这项使命与其说关乎科学，倒不如说关乎玄学。
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如果斯托帕德笔下的托马西娜生活在现代社会，她一定会说，宇宙就像是一台计算机。而物理定律正是计算机的程序。你可以将宇宙中所有基本粒子的位置信息作为初始变量，输入这台巨型计算机。经过一段时间的计算，它会告诉你，未来的某一时刻，这些基本粒子会出现在何处。根据这种世界观，世间的一切就是依照永恒的自然规律而进行的一次又一次的排列组合。因为这些规律的存在，过去早已决定现在，现在早已决定未来。
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这一观点在很多层面上削弱了时间的存在感。[1]那样的世界不容许意外，也不容许新鲜事物，因为那里发生的一切仅仅是原子的重新排列。而原子自身的性质是永恒的，控制原子运动的自然规律也是永恒的；两者都不会随时间而改变。凭借现在的原子结构，我们可以预测未来世界的方方面面。也就是说，时间的推移等同于一种计算，未来是现在的一种逻辑推理。
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爱因斯坦的相对论更进一步指出，时间对于描述这个世界的基本理论来说，无关紧要（我将在第6章中对此详细讨论）。相对论强有力地证明，这个世界的全部历史是一个超脱时间的整体；抛开人们的日常生活，区分现在、过去和未来，毫无意义。时间不过是一个类似空间的维度。我们感觉中的世界似乎稍纵即逝，可惜这仅仅是一种错觉：现实不会随时间的流逝而发生变化。
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时间流逝不是错觉
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对于任何相信自由意志论或人类能动性的人来说，上述说法令人震惊。但是，我不会基于这些哲学观点来反驳相对论；我对时间真实性的探讨纯粹基于科学。上述未来决定论其实是错误的，我在本书中的工作就是对此进行科学论证。
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在本书第一幕中我提到，为何从科学上看，我们似乎更应该相信时间是一种错觉；在第二幕，我会推翻这些时间错觉论的观点，并展示承认时间真实性对于科学来说是何等必要，它有助于克服基础物理学和宇宙学当下所面对的种种危机。
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物理学家使用时间这一概念的历史源远流长。为了梳理第一幕的论证，我将追溯这段历史。从亚里士多德、托勒密1，到伽利略、牛顿、爱因斯坦，再到当代的量子宇宙学家，我将展示，随着物理学的发展，时间的真实性是如何被一步步削弱的。这种叙事方式也方便我一步步地引入普通读者阅读本书所需了解的背景知识。事实上，我将通过自由落体、行星运动等常见例子介绍这些背景知识的关键点。第二幕的故事更为前沿。因为正是基于科学的最新发展，我才会论证为何时间的真实性必须被视为科学的核心。
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我的论证起源于我发现的一个简单不过的现象：自牛顿时代开始，任何成功的科学理论都使用了牛顿发明的一个理论框架。在这一框架中，大自然完全由一些粒子组成。这些粒子的性质，比如质量和电荷，不随时间流逝而改变；决定它们运动和相互作用的自然规律也不随时间改变。这一框架非常适合描述宇宙的局部。但当我们将其应用到整个宇宙时，它会马上分崩离析。
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大部分物理学理论都着眼于宇宙的局部。这些局部可以是一台收音机，一只正在飞的皮球，一个生物细胞，我们所在的地球，乃至一个星系。当描述宇宙的这些局部时，我们会将自己以及我们的观测工具排除在局部系统之外。在挑选和准备局部系统时，我们常常不会考虑，我们自身是否参与了系统；也不去考虑建立这些局部系统所依赖的参照系。最为重要的是，我们也不会考虑该如何设置度量系统变化的时钟，而这恰恰关乎时间的本质。
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将物理学延伸到宇宙学的尝试，带给我们新挑战，要求我们有新思路。一个宇宙学理论必须包罗万象，毫无遗漏。这也就是说，一个真正完备的宇宙学理论必须囊括作为观测者的我们，以及我们的观测工具。当研究宇宙时，我们不得不面对一个全新的挑战：当我们研究的系统是整个宇宙时，我们无法置身于这个系统之外。
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此外，宇宙学还缺乏科学方法论的两条重要原则。一条原则是，实验必须具有可重复性，这样才能保证实验结果的正确。但是，我们无法要求宇宙做到这一点，因为宇宙只发生一次。第二条原则是，我们不能给予宇宙不同的初始状态，用以观察宇宙可能的演变。以上两点是宇宙学发展中所遇到的非常现实的障碍，它们使得研究宇宙整体的科研工作难上加难。
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不过，这并不会打消我们通过物理学来研究宇宙的雄心壮志。我们头脑中的第一反应可能是，升级那些关于宇宙局部理论的尺度，再将其应用于整个宇宙。因为在描述宇宙局部时，这些理论非常富有成效。我将在第8章和第9章中说明，这样做行不通。独立于时间的规律作用于独立于时间的粒子，这套牛顿范式框架中的图景并不适用于描述整个宇宙。
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颇具讽刺意味的是，这些局部理论成功的原因恰恰是它们无法描述整个宇宙的命门。我将对此给出详细的论证。
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我知道，这样的说法与我很多同事的理想与实践背道而驰。但我仍希望，读者可以密切留意我在本书第二幕中给出的论证。届时，我将同时给出具体的例子与一般性的论证。我会说明，在试图将局部标准理论升级为宇宙学理论的过程中，我们将进退维谷、自相矛盾，遭遇无法回答的问题。其中之一就是如何选择早期宇宙的初始条件，以及如何选择早期宇宙演化所遵循的规律。由局部升级而来的标准理论往往对此无能为力。
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许多当代宇宙学文献记录了这个时代的智者同这些艰难险阻的搏斗过程，其中一个比较流行的想法是，我们的宇宙仅仅是多重宇宙中的一个。我对这一观点的流行表示理解，因为这一想法基于一个很容易让人陷入其中的方法论上的错误：既然我们手中的理论只适用于局部，那么，只有当我们的宇宙是一个更大系统的局部时，现有理论才可能适用于整个宇宙。为此，我们虚构了一个充斥着其他宇宙的大环境。多重宇宙论不可能引出任何真正的科学进步，因为其他宇宙与我们的宇宙之间没有任何因果联系，我们无法证实或证伪关于它们的任何假设。[2]
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多重宇宙论并非宇宙学发展的唯一途径，写作本书的目的之一就是要表明这一点。我们要和适用于宇宙局部的标准理论一刀两断，我们要从零开始，寻找一个适用于整个宇宙的新理论。这个新理论，不会产生各种混乱和矛盾，可以回答旧理论无法回答的问题，可以为宇宙学观测提供真正有物理学意义的预测。
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虽然我还没有找到这样的理论，但我可以提供一套搜索新理论的指导原则，这套原则我会在第10章中详述。在随后的章节中，我将说明这些原则将如何启发新的宇宙学模型与假说，并最终指明一条通向新宇宙学理论的道路。这其中的核心原则是：时间必须是真实的，物理定律必须随时间而演化。
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自然规律不断演化的观点并不是什么新想法，宇宙学研究势必融合这一观点也不奇怪。[3]美国哲学家查尔斯·皮尔士（Charles S.Peirce）在1891年就这样写道：
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假定自然界的普适规律以某种人类能够理解的形式存在，但却不给出为何人类能够理解的理由，这种假定很难说是合理的。这些规律完全可以以不合人类逻辑、让人难以捉摸的形式存在。一致性正是这样一个值得我们解释的规律……规律比之其他事物，更需要我们去解释。
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