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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876981]
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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 [:1700876982]
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
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现在，就让我们开始寻找那个真正适用于整个宇宙的理论。这个理论必须要避开宇宙学困局。这个理论必须背景独立，即我们无须将世界一分为二，让一部分世界描述系统涉及的动态变量；让另一部分充当背景，提供定义动态变量所需要的结构。理论中的一切事物都属于真实世界，可以通过与其他真实事物的相对关系加以定义。这些关系决定了事物会随时间而改变。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876983]
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一个真正的宇宙学理论
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一个真正的宇宙学理论究竟要满足哪些条件呢？
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●新宇宙学理论必须涵盖我们已经获得的知识。我们需要将广义相对论、量子力学、标准模型等现有理论加入未知的新理论之中。它们将成为新宇宙学理论在亚宇宙尺度和亚宇宙时间下的近似。
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●新宇宙学理论必须满足科学的基本原则。真正的科学解释必须向人们展示许多预期之外的结果，这样才能证明其有效性。如果做不到这一点，不管故事讲得多好，都是胡编乱造。一个真正的科学理论必须给出可被验证的预言。
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●新宇宙学理论必须回答“为什么是这些定律”的问题。它必须帮助我们深入了解标准模型中的粒子和力的由来。尤为重要的是，它必须解释宇宙中的基本参数的由来，这些基本参数包括标准模型中粒子的质量和力的强度，它们的给定数值往往显得难以琢磨、非常特殊。