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疯狂设想：将整个宇宙收入量子力学
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早在20世纪60年代中期，量子引力学先驱布莱斯·德维特、约翰·惠勒、彼得·伯格曼（Peter Bergmann）便尝试将量子力学应用于整个宇宙，并得出了前述结果。他们在薛定谔方程中加入了量子态冻结条件，从而将其修改为我们现在所称的“惠勒-德维特方程”。很快，他们注意到，时间消失了。人们开始辩论这到底意味着什么。直到今天，辩论依然没有终结。每隔几年，就会有人组织会议专门讨论量子宇宙学中的时间问题。人类有无穷的智慧。对于这一问题，人们提出过许多不尽相同的答案。
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在我们尝试将量子理论应用于宇宙学的过程中，宇宙的冻结量子态并不是我们遇到的唯一问题。[7]
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世界上只有一个宇宙，我们无法制造大量全同的宇宙量子态，对它们进行测量，并将观测结果与量子力学的计算结果作比较。在这里我们就可以看出，实验观测检验理论的方法受到了极大的削弱。
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情况还会更糟糕。我们无法将宇宙设置在某个初始量子态，更不用说准备不同的初始量子态。宇宙只发生一次，它的初始态早就给定了。从原则上说，我们根本就不能设置它的初始态。退一步来说，即使我们原则上可以设置宇宙的初始态，我们也缺乏实际操作的办法，因为我们自身就是宇宙的一部分。这样看来，说我们可以设置宇宙的量子态，其实就是在想象我们是神，存在于宇宙之外。
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这便是量子宇宙学的悲剧，这些悲剧慢慢累积成了一大张可怕的“账单”：我们无法准备宇宙的初始量子态；无法将它置于宇宙之外，从而使其发生改变；量子力学告诉了我们一些概率，但由于我们无法获得大量的宇宙，我们不知道这些概率到底有什么意义。抛开这些问题不谈，我们还有更大的问题：宇宙之外空无一物，我们无法放置任何测量仪器。因此，用系统外的时钟度量量子系统变化的方法，对量子宇宙来说毫无意义。
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从操作主义的角度看，将量子力学应用于宇宙，自始至终就是个疯狂的主意。量子力学中的各种操作，放到量子宇宙学中就不再有意义，这注定了量子宇宙学的失败。我们将研究宇宙局部的方法，不假思索地推广到了整个宇宙。这一切的难题，都是对我们犯下的谬误的报应。
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事实上，我们遭遇的问题比前文所述更为严峻。这是因为在广义相对论中，我们可以选取时空中任意的时间维度。于是你会问：“假设宇宙之外真有一个时钟，那么它会测量宇宙的哪一种时间维度？”“假设宇宙中的某个量子态正在振荡，我们到底该选择宇宙中的哪口时钟，才能使这个振动变为恒定振动？”这两个问题的正确答案分别是：“所有可能的时间维度”“所有可能的时钟选取”。这将导致我们不再仅有一个惠勒-德维特方程，而是无穷多个。这些方程要求，任取宇宙的时间维度、任选宇宙内的时钟，宇宙量子态的振动频率总是为零。任选宇宙中可能出现的观测者，任选他们所携带的时钟，量子宇宙在他们看来完全相同。
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以上难题萦绕学术界整整20年。这主要是因为无人能够解出惠勒-德维特方程。圈量子引力论（loop quantum gravity）的发明打开了这个局面，这是一条通往量子引力理论的全新道路，它可以将惠勒-德维特方程表达得足够精细，人们从而可以获得方程的解。1985年，阿沛·阿舒特卡（Abhay Ashteka）发现了广义相对论的新表达形式，这引燃了圈量子引力论革命。[8]几个月后，我有幸加入加州大学圣巴巴拉分校的理论物理研究所（现称凯维里理论物理研究所，Kavli Institute for Theoretical Physics），同特德·雅各布森（Ted Jacobson）一道工作（他现在任教于马里兰大学）。我们发现了惠勒-德维特方程的第一个精确解。更准确地说，我们发现了一个解集，内含无穷多个精确解。[9]要想写下一个引力场的所有量子态，我们还需要解开其他一些方程。这一工作由卡洛·罗威利（Carlo Rovelli）在两年后完成。[10]他当时在罗马大学的意大利国家核物理研究所工作。圈量子引力论飞速发展。到了20世纪90年代初，哈佛大学的托马斯·蒂曼（Thomas Thiemann）发现了一个更大的方程解集。[11]此后，人们发展了一种更有力的方法生成方程的解，现在我们称之为自旋泡沫模型（spin-form models）。[12]这些解的提出，使得解释无时宇宙的时间问题变得更为急迫。否则，我们无法赋予这些量子引力理论的数学解以物理意义。
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解决时间难题的关键在于时间是否可以从无时宇宙中“演生”出来。如果演生说成立，理论便与我们日常所见的世界没有明显矛盾。我的一些同事认为，时间是宇宙近似描述的一部分，这种近似描述仅在大尺度上有效。如果我们凑近看小尺度的话，这种描述便不存在。温度就是这样一个例子。宏观物体具有温度，可单一粒子并没有。这是因为，物体的温度被定义为组成物体的原子的动能平均。一些物理学家提出，时间就像温度，仅对宏观世界有效，对普朗克尺度无效。在其他一些解决方案中，人们想通过定义两个亚宇宙系统之间的关联来发现时间。
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如何从一个不含时间的宇宙中演生出时间？我对这个问题苦思许久，花费了大把时间思考各种解决方案。直至今日，我依然认为没有一个方案能彻底解决这个问题。对于其中一些方案，我的反对理由是非常抽象和细节化的，对我们的讨论毫无帮助，因此我想略过。我质疑量子宇宙学还有更深层次的原因，这将是本书第二幕关注的焦点。
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与我观点相左的朋友们这样告诉我，惠勒-德维特方程的假设再简单不过，它只是将量子力学的原理和广义相对论放到了一块儿。量子力学与广义相对论，各自有适用的领域，在各自的领域内，它们都通过了实验观测的检验。正因为如此，在融合二者的过程中，我们先要认真对待二者的深层含义，理解并发展这两个理论。
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我曾经做过布莱斯·德维特的博士后。他曾告诫我和其他博士后，做学术时要放弃形而上学的偏见，让理论阐明自身的意义。他用温柔的嗓音这样同我们说道：“让理论自己说话。”对我而言，这一幕依然历历在目。
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人生总是在那里，永远在那里
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英国物理学家、哲学家、科学史学家朱利安·巴伯（Julian Barbour）在其1999年出版的著作《时间的终结》（The End of Time）中，对如何理解惠勒-德维特方程下的量子宇宙学，作出了最为透彻的分析思考。巴伯的想法非常激进，他认为，世上最根本的真实存在，是一大群冻结了的瞬间。每一个瞬间呈现了宇宙的一个位形，每一个位形都是真实存在的，它将以瞬间的形式被任何生活在这一位形中的生物感知。巴伯将这些瞬间的集合称作“瞬间堆”（the heap of moments）。瞬间堆中的瞬间并没有谁先谁后，它们简简单单，没有任何秩序。在巴伯的这幅形而上学的图像中，除了一堆纯粹的瞬间，万物皆空无。
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或许你会马上反对，“我感觉得到时间的流逝”，而巴伯认为你感觉不到。他声称，我们能感知的只可能是瞬间，只是我们人生中的快照。伸出手指，看一眼，这就是一次快照，也是瞬间堆中的一个瞬间；再看一眼，这是另一个瞬间。你的感觉中，第二个瞬间紧接着第一个瞬间。可惜，这是个错觉。错觉产生的原因在于，第二次快照时你还留有第一个瞬间的记忆，可记忆并非是对时间流逝的感知（巴伯认为时间从不流逝）。对第二个瞬间的感知中包含了一部分第一个瞬间的记忆，这就造成了错觉。依照巴伯的说法，我们的所有感知以及世上所有的真实，都是瞬间堆中那一个个的瞬间。
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然而，瞬间堆中还是有一些结构的，一些瞬间可以重复出现。于是，你便可以谈论瞬间出现的相对频率，一些瞬间的出现频率比另一些瞬间大上数亿倍。这些关于瞬间的相对频率正好对应于量子态出现的概率。两个不同量子态的相对概率给定了这两个位形在瞬间堆中出现的相对频率。
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以上便是巴伯理论的全部主要观点，可概括为：只有一个量子宇宙，我们用一个量子态对其进行描述；宇宙由一大堆瞬间构成；一些瞬间比其他瞬间出现得更为频繁，其中一小部分出现得极为频繁。
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在瞬间堆中，许多反复出现的位形相当无聊。它们描述了一个只充满光子的宇宙，或是只充满氢原子的宇宙。巴伯声称，对于真实的宇宙量子态而言，无聊位形的体积都非常小。这样看来，他预言“小”与“无聊”之间存在关联。假设时间存在，因为非常小，早期宇宙一定非常无聊。巴伯认为，至少对于瞬间堆中的瞬间来说，小与无聊之间有着很强的关联。
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其他一些位形可能相当有趣——充满了复杂性。它们可能含有星系团、星系、恒星、绕着恒星转的行星，以及诸如你我这样生活在行星上的生物。巴伯声称，对适当的量子态而言，它们所蕴含的复杂性、所蕴含的生命，往往和体积大有关。这样看来，只要体积够大，瞬间堆中的许多瞬间，甚至可以说绝大多数瞬间，都可能蕴含生命。此外，巴伯断言给定适当的量子态，那些最频繁出现的位形可通过一些结构与其他瞬间联系。这些结构被巴伯称为“时间胶囊”（time capsules）。它们可以是记忆、书、古董、化石、DNA。通过这些结构，瞬间依据事件的展开形成序列，它们彼此架构，最终具有了复杂性。换句话说，时间胶囊使我们产生了时间流逝的错觉。
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根据巴伯的理论，因果律同样也是一种错觉。没有什么事件可以是其他事件的原因，因为事实上，没有事件在这个宇宙中发生。宇宙仅仅是一大堆瞬间，我们可以感知其中的一部分。在真实世界中，一次感知仅关乎一个瞬间，和其余瞬间无关。瞬间虽然存在，但它们杂乱无章，因而无所谓时间的流逝。
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然而，惠勒-德维特方程确实可以演生出近似时序和因果的概念。于是，出现最频繁的瞬间之间可能相互关联，这些相互关联使得瞬间形成时间序列。时间序列之上，因果律有了生存空间。从一种高度近似的观点看，瞬间组成的时序有助于解释附于瞬间上的结构。但这只是一个高度近似下才看得到的故事，它并不基本。凑近看时，你既不会发现时序，也不会发现因果律，你看到的，只是一堆瞬间。
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从某些角度看，巴伯理论非常优雅，它漂亮地回答了量子宇宙中概率到底该如何诠释。宇宙只有一个，可瞬间却有许多。量子理论的概率成了瞬间现身于真实世界的相对频率。更深入地挖掘巴伯理论，可以发现它解释了世界的历史如何演生、因果律如何使得复杂结构产生。这一理论同时解释了时间的方向性：位形空间中产生了一个最佳方向，这个方向总是从小体积的位形指向大体积的位形。当时间出现时，其前进方向与这一体积增加方向相互关联。
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人终有一死，巴伯的无时量子宇宙却带给我们一些可以触及的宽慰。我可以感受到这份温暖。我希望我能相信他理论的正确性。你将在许多瞬间中体验你的人生。在巴伯看来，这便是世界的全部。这些瞬间总在那里，永远在那里，我们不会失去过去。现在、过去、未来总是与我们相伴。你的人生体验或许要有无穷多个瞬间才能容得下，那些瞬间永不消亡。因此，即使在你生命的最后一刻，什么都不会终结。之所以没有终结，是因为从来就没有开始。我们对死亡的恐惧基于一种错觉，这一错觉又是基于一个错误的认知。你生命中的时间永远不会流尽，因为根本就没有这样一条生命长河。只有你人生中那一个个瞬间孑然而立，总是在那里，永远在那里。
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