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实验物理学研究的是自然界的局部
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在亚宇宙系统建模过程中，我们忽略了子系统外的一切事物，好像宇宙中就这个子系统存在，我们称这样的系统为“孤立系统”（isolated systems）。但是，我们不应该忘记，完全孤立并不存在。正如之前我们提到的，在真实世界中，子系统与外界事物间总是存在着相互作用。从各种意义上讲，亚宇宙系统本质上是物理学家所谓的“开放系统”（open systems）。这类系统都有边界，边界内的事物与边界外的事物互动。因此，当进行盒中物理学研究时，我们将开放系统近似为孤立系统。
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实验物理学家花费了大量精力将开放系统改造为（近似的）孤立系统。这类改造并不完美。一方面，当对系统进行测量时，我们影响了系统。（对于量子力学诠释来说，这是个大问题；现在让我们将关注的焦点放在宏观世界。）对每一个实验来说，并不完美的孤立系统总是或多或少地受到外界噪声的影响。实验物理学家费劲全力，试图从噪声中提取需要的数据。他们还要花费大量精力说服同行和自己：他们确实将噪声降到了最低，并从中看到了信号。
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外部环境中的振动、辐射以及活跃其中的各种场，可能污染我们的实验系统，我们必须将它们隔离。对许多实验来说，能做到这一步已经足够了。对某些非常敏感的实验来说，落入探测器的宇宙射线可能对实验结果产生影响。为了屏蔽宇宙射线，这些实验的实验室通常架设在地表数公里之下的矿井中。太阳中微子的发现，就属于这类实验。太阳中微子实验将其他所有背景噪声降至可控水平，只让中微子通过。但我们目前尚未发现能够屏蔽中微子的方法。在南极的冰立方实验中，深埋于冰层下的探测器记录到了自北极而来的中微子。这些中微子纵贯了整个地球。
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或许你确实可以建造一座星际尺度的厚墙来屏蔽中微子，但仍然有一种东西能轻松地穿过这道屏障，这便是引力。从理论上来说，没有东西可以屏蔽引力，也没有什么可以阻止引力波的传播。因此，完美的孤立系统不可能存在。我在攻读博士期间发现了这个重要观点。当时，我想设计一个盒子，让引力波在其中来回震荡。可引力波总能穿透盒子的壁，我的尝试屡屡失败。为了反射引力波，我便想象不断增加壁的密度。但在我达到所需密度之前，致密的壁就已经坍缩成了黑洞。我反复思量，试图寻找其他办法，最终却一无所获。我意识到这道我无法跨越的障碍本身就是个有趣的发现，甚至比我最初的设想要有趣得多。经过更为缜密的思考，我借由几个简单的假设证明，不存在可以屏蔽引力波的厚墙壁。[7]这一结论对任何材质、任意厚度的墙壁都成立。证明过程中我所用的假设就只有两条：一是在广义相对论中，物质所含的能量总是为正；二是声速总是小于光速。
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以上论述表明，无论是从原则上来说还是从实际操作中来说，自然界中的系统都无法摆脱系统外宇宙的影响。这一结论非常重要，值得上升为一个原则，就让我们称它为“孤立系统的不存在性”（principle of no isolated systems）。
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还有一个原因使我们相信，所谓孤立系统仅仅是开放系统的近似：我们无法预期针对系统的随机破坏性干扰。我们可以预期噪声、测量噪声、降低噪声，但外部世界对系统的破坏可能比噪声要糟得多：坠毁的飞机可能撞进实验室，地震可能震倒实验室，小行星可能撞击地球，地球可能被一片飘过的暗物质云拉向太阳，[8]地下室的电闸可能发生意外导致整个实验室断电……在这个庞大的宇宙中，能破坏实验进程的突发事件不计其数。当我们设计实验，并将其作为孤立系统考虑时，实际上是将以上可能全部排除掉了。
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想要把这种种可以摧毁实验室的外部因素一并考虑在内，我们需要对宇宙整体进行建模。在实际建模或计算过程中，我们肯定不会去考虑这些可能性，否则我们什么研究都做不了。而不去考虑这些可能性，原则上就意味着我们的物理构建于某种近似之上。
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有效理论本质上是近似理论
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物理学中的主要理论，都是研究局部自然世界的模型。这些局部系统，正是实验物理学家能够制造的对象。当理论学家发明这些理论时，都将它们视作是这样那样的终极理论。但随着时间的推移，理论学家终于意识到它们只是有效理论，只能描述宇宙中的一小部分自由度。
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粒子物理学为我们提供了有效理论的极佳范例。到目前为止，实验粒子物理学家试图在极小的尺度上探索终极物理。目前，这一纪录由欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）保持，LHC的最小可探测精度达到10-17厘米。到目前为止，粒子物理学标准模型与这一精度以上的实验数据都符合得很好。但这也意味着，标准模型只是一个近似模型（另一个理由是，标准模型不包含引力）。如果我们能探索更小的尺度，我们或许会发现某些标准模型以外的新现象。
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根据量子力学中的不确定性原理，探测的尺度与能量成反比。想要探索某个特定的小尺度，我们需要把粒子或光子加到与之对应的能量。探测尺度越小，所需要的能量就越高。因此，我们能够探索的最小尺度决定了我们能够探索的最高能量。然而，能量和质量是同一回事（依据狭义相对论）。如果我们的探索存在一个最高能量，就意味着比这能量更高的粒子由于过重，而不能被加速器制造，因而会被忽略。在这些被忽略的现象中，可能包含新的基本粒子，可能包含未知的相互作用。又或许它们会告诉我们量子力学的原理有问题，想要描述极短距离或极高能量的现象，我们需要对其作出一些修正。
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正是由于以上考虑，我们称标准模型为有效理论，它在特定能量区间与实验观测相符。
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有效理论的提出颠覆了一些老掉牙的观念，比如说真理的标志是理论的简洁与优美。我们不知道在更高的能量上到底潜伏着什么现象，在更低的能量上，许多高能假说都能和这个或那个有效理论相容。因此，有效理论有着一种内在的简洁，它们可以通过一种最为简单、最为优雅的方式延伸至未知领域。之所以说广义相对论和标准模型优雅，很大程度上是因为它们可以被理解为有效理论，它们的美是理论有效性和近似性的产物。这样看来，简洁、优美并不是真理特有的标志，而是构造良好的近似模型特有的标志。[9]
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有效理论的提出意味着粒子物理学的成熟。年轻的我们浪漫地幻想，自然界的终极定律已经握在我们手上。在致力于发展标准模型数十年后，我们一方面非常确信标准模型在特定能区一定正确，另一方面又非常不确信标准模型是否能被外推到这一能区以外。这是不是很像一个人的一生？当我们上了年纪时，我们会更加确信自己真的知道什么，同时也会更坦然地承认自己到底不知道什么。
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对有些人来说，这多少让人觉得失望。人们寄希望于物理能够发现自然界的终极定律，但从定义上来看，有效理论注定不会是终极定律。你或许会想，一个理论怎么可能既被所有的实验所验证，却又充其量不过是某个真理的近似。那么你的科学观就太过天真了。有效理论的概念非常重要，它表达了以上矛盾的微妙交集。
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有效理论也体现了我们了解基本粒子的进程。它告诉我们，物理学就是一个不断构建更好的近似理论的过程。当我们将实验推向更小尺度、更高能量时，或许我们将发现新的现象。如果我们真能有所发现，那我们就需要一个新的模型来描述它们。这个新的模型也会是一个有效理论，就像适用范围变大了的标准模型。
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在物理学的发展过程中，新的理论往往会革命性地改变我们对自然的理解，同时又会保持旧理论的成功之处。有效理论告诉我们的正是这一点。现在我们认为牛顿力学是个有效理论，它只适应于低速、经典的物理过程。在这个区域内，牛顿力学还是一如往昔般成功。
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过去，广义相对论曾被视作对自然的终极描述，现在人们也把它理解为有效理论。至少从一个方面来看，它不适用于量子领域。广义相对论充其量是某个大统一理论的近似。或许，我们可以通过截断某个更为基本的引力理论来获得广义相对论。
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同样，量子力学似乎也是某个更为基本的物理理论的近似。其中一个迹象是，量子力学中的方程都是线性的。线性意味着它们产生的效应总是与原因成正比。物理学的其他领域也有线性方程，但这些线性方程都是某个更为基本的理论（尽管还是有效理论）的非线性方程（产生的效应数倍于输入原因）的近似。基于这些经验，我们应该相信量子力学也是如此。事实上，我们目前所有的物理理论都是有效理论。人们冷静地意识到，这些理论之所以成功，正是因为它们是近似理论。
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我们依然可以胸怀壮志，去发明一套没有近似的终极理论。然而，历史和逻辑告诉我们，至少在牛顿范式的框架中，这样行不通。尽管牛顿力学、广义相对论、量子力学、标准模型等令人敬畏，但它们都不可能通往终极的宇宙学理论。想要获得这样的理论，就必须认真考虑宇宙学挑战，设计一套牛顿范式之外的理论，一套无须借助近似就可以应用于整个宇宙的理论。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
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