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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876978]
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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。
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在非高斯性的观测文章发表几天之后，就有许多人撰写论文试图解释这一观测结果。有些人改了理论，有些人改了初始条件。所有这些尝试都成功预测了观测结果。事实上，人们早就知道两种方案都管用。[4]和许多前沿的观测科学一样，进一步观测否定了最初的高斯性观测。直至本书成文之时，我们还是不知道微波背景辐射之中到底有没有非高斯性。[5]
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在以上例子中，我们展示了让理论符合数据的两种不同方法。如果是一些参数决定了物理定律和初始条件，那么肯定有两个不同的参数都可以让理论与观测相符。观测人员称这种情况为“简并”（degeneracy）。当简并发生时，通常我们需要引入新的观测并重新做拟合，才能区分二者。但宇宙背景辐射是这个宇宙仅发生过一次的事件的余晖。面对这类观测时，或许我们永远无法破除简并。鉴于目前我们对宇宙背景辐射的测量已经达到相当高的精度，这或许意味着我们真的无法回答到底是应该改变物理定律，还是应该改变初始条件。[6]但是，无法区分物理定律和初始条件各自的效应，意味着牛顿范式在解释自然现象成因时并不是那么有效。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876979]
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只是近似
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自牛顿时代以来一直指导着物理学发展的方法论，在我们看来已经江河日下。此前，我们认为牛顿力学或量子力学之类的理论，最有可能成为真正的终极物理理论。我们认为，如果它们确实是终极物理理论，它们将成为自然世界的完美镜像，每一个自然世界中的真实存在必然对应于一个理论世界中的数学事实。不含时间的物理定律作用于不含时间的位形空间，这一架构是牛顿范式的基础。也正因为此，牛顿范式对于上述的镜像过程不可或缺。在我看来，一旦我们将牛顿范式应用于整个宇宙，上述镜像真就是镜花水月了，它注定将会导致我们之前谈过的种种困惑与困局。为了验证我的观点，不妨让我们为牛顿范式中的各个理论做一次重新评估。这次评估将包括可能的终极物理理论，也将包括一些亚宇宙系统的近似描述。一些物理学家已经开始了这一评估过程。这次重新评估基于两个相互有联系的观念转变：
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●包括广义相对论和粒子物理学标准模型在内的所有理论都是近似理论。它们只适用于自然世界的局部，只能描述宇宙自由度空间中的一个子集。我们称这些近似理论为“有效理论”（effective theory）。
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●所有实验与观测都涉及如何截取自然世界中的局部。我们记录某个自由度子集的数据，并忽略其他自由度。然后，我们将这些观测数据与有效理论的预言进行对比。
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如此看来，物理学迄今为止的成功，完全是因为它在通过有效理论研究截断过的自然世界。实验物理学的艺术正在于如何巧妙地设计实验，将一部分有待研究的自由度从宇宙中隔离出来；而理论物理学家则针对实验物理学家研究的自然世界的局部，通过有效理论对其建模。我认为，一个真正的终极物理理论不可能是有效理论。纵观整个物理学史，我们从未让可能的终极物理理论作出预言，再与实验进行对比。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876980]