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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876962]
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他正在做什么
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让我们先考虑一下狭义相对论的两个基本概念。第一个是同时的相对性（relativity of simultaneity），第二个是块状宇宙（block universe），前者可导出后者。这两个基本概念是将时间驱逐出物理学的重要步骤。
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在构建狭义相对论的过程中，爱因斯坦针对时间的本质给出了两个策略。
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首先，他抛弃了绝对时间观而接受了相对时间观：时间意味着变化，时间描述的是我们所感知事物之间的相对关系；绝对时间或普适时间并不存在。
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其次，爱因斯坦使用了操作主义（operationalism），这一方法出现在爱因斯坦的早期工作中。操作主义认为，只有当我们规定诸如时间之类的物理量的测量方法之后，定义那个物理量才有意义。如果你想定义时间，就必须要描述你理论中所使用的时钟以及时钟的运行方式。站在操作主义的角度看科学，我们不应该问某物是否真实，而要问它能否被观测者观测。宇宙中观测者的情况必须被理论涵盖，比如，观测者身处何处、他是否运动。这样，你可以询问这些观测者是否对某一问题有着一致的答案。爱因斯坦的许多有趣发现往往起源于观测者们对同样的问题得出了不同的答案。
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现实又是什么呢？物理学家们难道不应该更关心事物的真实性，而非它能不能被观测到？这些指责并不为过。操作主义者都相信真实世界的存在，但他们同时也相信，探求真实世界的唯一途径是探索可观测的世界。所谓客观地判断某一事物是否真实，就是需要所有观测者对此问题达成一致。
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爱因斯坦的狭义相对论对于时间的一大发现就是同时的相对性。“同时”是指两个异地事件是否在某一个时间点上同时发生。爱因斯坦发现，任何有关同时性的问题都存在模棱两可的答案。如果两个事件隔着某段距离，那么以不同方式运动的观测者将就两个事件是否同时发生，得出完全不同的答案。
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身处多伦多的一位女士从梦中醒来，开始惦念她身处新加坡的恋人现在正在做着什么。以上场景对我们来说自然而然。类似地，我们似乎也可以想象，冥王星上正在发生着什么、仙女座星系的某颗行星上正在发生着什么，或更进一步，宇宙的另一端正在发生着什么。这些基于我们直觉的问题被爱因斯坦证明是没有意义的。相对运动的两个观测者会对相隔遥远的事件的同时性，得出不一样的答案。
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同时的相对性基于一些假设，其一是光速不变。对任意两个以任意速度相对运动的观测者来说，他们对光子速度的测量结果一致。我们还可以假设，任何物体的运动速度都不能超过光速。[4]在这一假设下，一个事件能影响另一事件只有在以下条件下才可能成立：信号由前一事件发出，以小于或等于光速的速度运行，并抵达后一事件。如果以上条件发生，我们说两个事件存在因果关系，前者是因，后者是果。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876963]
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几秒钟前，他在做什么
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另一种情况也可能发生。两个事件空间间隔太远、时间间隔太短，一个事件发出的信号尚未到达另一事件。在这种情况下，一个事件无法引发另一事件，我们称这两件事不存在因果联系。爱因斯坦指出，在这种情况下，你无法判断两件事是否同时发生，抑或是有先有后。两种答案都有可能对。它们的对错取决于自带时钟的观测者的运动。对于有因果联系的事件来说，观测者们必须就事件之间的因果联系达成一致，这样物理学才不会因为原因的随意选取而变得不合理。但对于没有因果联系的事件来说，观测者们不需要就两件事的前后统一意见，因为它们无论如何也不可能相互影响。此时，爱因斯坦的狭义相对论允许观测者们各说各话。
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这样看来，对于那位身处多伦多的女士来说，惦念她身处新加坡的爱人现在在做什么，是一个不合理的问题。[5]对她来说，合理的问题是思考他几秒钟前在做什么。这几秒钟内，他发送了她正在阅读的短信。发送短信和阅读短信是存在因果联系的两个事件。所有的观测者都会同意，她正在发出的回复将改变他的生活。这一改变会发生在一分钟后他阅读回复的时候。
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除了假设存在一个所有观测者都能同意的速度上限，狭义相对论还依赖于另一假设，即相对性原理（principle of relativity）本身。相对性原理指出，除光速以外的所有速度都是相对量。哪个观测者处于静止状态，哪个观测者处于运动状态，我们完全无法分辨。假设两个观测者以相同的速度相互靠近，那么依据相对性原理，两人都可以声称自己才是静止的，而对方正在以全速接近。
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因此，如果观测者们就诸如两件异地事件是否同时发生之类的问题各执一词，那么这个问题便没有真正的正确答案。因此，同时性并不客观真实，“现在”并不真实，同时的相对性对时间的真实性造成了巨大的打击。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876964]
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一幅不含时间的宇宙图景
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观测者众口一词的诸多事实构成了所谓的“因果结构”。让我们从宇宙历史中选取两个事件，X与Y。那么以下三个论断必有一个为真：X引发了Y, Y引发了X, X与Y之间没有因果联系。所有观测者都会从以上因果联系选项中得出相同的答案。因果结构就是这样一张关于宇宙中所有事件之间相互关系的列表。因此你可以说，宇宙历史中包含的因果结构一定是真实存在的。
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因果结构是一幅没有时间的图景，整个宇宙的历史被视为一个整体。这幅图景不偏好任何一个瞬间，不参照现在所处的时间、不参照对应于当下的任何事物。“未来”、“过去”与“现在”在这幅图景中变得毫无意义。
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如果你严格依照狭义相对论一步步地将观测者视野中的所有事物移除，那么最终留下的就是因果结构。如果理论正确的话，这一余留将对应于世界的物理现实，因为我们已经移除了所有取决于观测者的成分。因此，假设狭义相对论真的是世界最本质的规律，那么我们的宇宙就独立于时间。这里，独立于时间有两层含义：一是我们所体验的当下，不对应于任何事物；二是关于宇宙最深层次的理论必然会将宇宙的全部因果历史视作一个整体。
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我们通过因果结构给出了宇宙的全部历史。这一图景现实化了莱布尼茨梦想中的宇宙：宇宙的时间完全取决于事件之间的相互关系。事件之间的相互关系，特别是事件之间的因果关系，是与时间相对应的唯一真实。
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严格说来，除了因果结构之外，还存在另一种信息，所有观测者对之将毫无异议。想象一个真实的时钟，在空间中自由漂浮的同时，时针在一秒一秒地走动。正午时，时钟敲了一下，一分钟后，时钟又敲了一下。可以想象这两个事件间存在着因果联系。两个事件之间，时针走过了60格。对于时针走过的这个格数，所有观测者都会一致认同，不管它们是否相对运动。这个格数被称为原时（proper time）。[6]
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我们将宇宙的全部历史视为一个整体系统，系统中的事件因果相连，这样的图景被称为块状宇宙。这个特别的名字暗示着真实的宇宙是将所有历史作为一个整块的宇宙，它如同一整块的石头，坚硬、持久、可被雕琢。
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块状宇宙滥觞于伽利略和笛卡儿，在他们眼中，时间不过是另一维空间。块状宇宙观将整个宇宙的历史视作一个数学对象，正如我们在第1章中提到的那样。数学对象独立于时间。如果你认为这样的宇宙就是真实客观的宇宙，那你就是在声称，宇宙在最基本的层次上独立于时间。在爱因斯坦的狭义相对论中，块状宇宙观是我们驱逐时间所进行的第二个步骤。
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