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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
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相对论、量子力学、标准模型——这些理论都是20世纪物理学的伟大发现，它们代表了物理学的最高成就。它们的数学表达十分优美，给出了精确的实验预言。同时，无数实验观测在极高的精度下证实了它们的存在。但在前一章中，我却声称这些理论都不足以充当物理学终极理论，在它们的万丈光芒之前，这可是个鲁莽的断言。
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为了支持自己的说法，我要指出这些著名物理理论的一个共同特征，正是这个特征使得它们难以外推至整个宇宙。这些理论都将世界分为两个部分，一部分随着时间变化，另一部分则假设固定不变。前一部分正是有待研究的系统，它的自由度随时间而变；后一部分正是系统之外的宇宙，我们称它为“背景”。
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很多时候，我们不会明确指出背景的存在，但它的确在那里。正是因为它的存在，前一部分世界中的运动才会有意义。即使不直接挑明，当谈论距离时，我们总是需要一个固定的参照物和一把尺子来进行度量；当谈论时间时，我们总是需要一口系统外的时钟来读取时间。
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正如我们在第3章接物游戏中看到的那样，仅当丹尼这个固定参照物存在时，谈论球的位置才有物理意义。想要定义球的运动，我们还需要一个以固定速率运行的时钟。无论是丹尼还是时钟，两者都处在球这个系统之外，无法被球的位形空间描述。我们假设两者始终保持静态，如果没有这些固定的参照物，我们不知如何联系理论的预言和实验的记录。
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将世界划分为动态部分和静态部分是一种人为划分，在宇宙局部系统的研究中，这一划分也是极为有用的。在真实世界中，静态部分往往由系统之外的许多动态部分组成。我们忽略了这些部分的运动及演化，从而构建了一个发现简单物理定律的有效框架。
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对广义相对论以外的许多理论而言，固定的背景中包含了时间和空间的几何结构。它还包含了物理定律的选取，因为这些定律同样不随时间而变。在广义相对论之中，尽管时空的几何得到了动态描述，理论还是假设了一些固定的结构，比如固定的空间拓扑以及固定的空间维度。[1]
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我们将世界一分为二，一部分动态，一部分静态。静态部分支撑动态部分，为我们提供描述静态部分所需的一切。这一方法成就了牛顿范式，但它同时也显示出，牛顿范式不适用于整个宇宙。
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当将这样的方法推广至整个宇宙时，我们遭遇了一个挑战。要研究整个宇宙，那整个宇宙都是动态部分。而在宇宙之外，没有任何东西存在，也就没有任何东西可以充当静态背景，没有任何固定参照物可供我们测量宇宙中的运动。有没有一种方法可以克服这一阻碍呢？我将其称为“宇宙学挑战”。
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背景独立
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想要解决宇宙学挑战，我们就必须发明一个可以适用于整个宇宙的理论。这个理论中，动态个体必须通过其他动态个体来加以定义。这个理论不需要固定背景，也不容许有固定背景。我们称这样的理论为“背景独立”理论。[2]
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现在，我们可以看清宇宙学困局到底是如何被嵌入牛顿范式中的。系统可以存在固定背景，定律可以存在无穷多个解，这些特征预言了牛顿范式在小尺度系统中的成功，也注定了这一范式作为宇宙学理论基础的失败。
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我们有幸生活在这样一个时代，物理学的不断胜利鼓舞着我们可以科学地研究宇宙。此前，我们总是成功地将理论应用于一个大系统的局部。自然而然地，当面对宇宙学困局时，我们会想象宇宙是一个更大系统的局部。在我看来，这就是多重宇宙理论吸引人的地方。
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当在实验室做实验时，我们会控制实验的初始条件。为了测试理论中的假设，我们会不断改变初始条件。而对于宇宙学观测而言，初始条件早已由早期宇宙给出，我们必须反推其中可能的假设。因此，要想通过牛顿范式解释宇宙学观测，我们要做两步假设：
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●假设初始条件到底是什么；
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●假设物理定律到底是什么。
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普通的盒中物理学研究允许我们改变初始条件，以推导出可能的物理定律。与之相比，宇宙学中的挑战可谓难上加难。
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要同时检验物理定律的假设和初始条件的假设，极大地减弱了观测的检验能力。如果我们的预言与观测不符，就存在两种更正办法：我们可以换个物理定律，也可以换个初始条件。这两个办法都能影响实验观测的结果。
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这引发了新的问题，到底应该更改物理定律的假设，还是初始条件的假设？如果我们观测星系、恒星等宇宙局部系统，我们可以通过检验许多局部系统而将检验限定于物理定律之上。同样的局部系统应受同样的物理定律管辖。如果这些系统之间有所不同，那必定源自它们不同的初始条件。可我们只有一个宇宙，因而我们无法区分哪些效应由物理定律的改变引发，哪些由初始条件的改变引发。
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有时，宇宙学研究确实遭遇了这样的问题。对于早期宇宙理论来说，一个重要的测试来自宇宙微波背景辐射（CMB）。它是早期宇宙遗留下的辐射，使得我们可以一窥大爆炸后40万年时宇宙的情形。在早期宇宙理论中，“暴胀”得到了广泛的研究，即早期宇宙所经历的巨大而快速的膨胀。暴胀稀释了宇宙的初始特征，将它变成我们所见的庞大却又处处几乎相同的宇宙。暴胀预测了宇宙微波背景的特定模式。它的预言和我们的观测结果非常相似。
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数年之前，研究人员声称发现了微波背景辐射的一个新特征：非高斯性。这超出了普通暴胀理论的预言。[3]（在此我跳过非高斯性的定义；我们仅需知道，这一特征可能确实存在于宇宙背景辐射之中，而标准的暴胀模型预言它不会出现。）要想解释观测，我们面临两个选项：我们可以修改理论，也可以修改初始条件。
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暴胀理论也属于牛顿范式，所以它的预言也取决于理论的初始条件。