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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。
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●新宇宙的问题学理论必须回答“为什么是这些初始条件”的问题。在同样的自然规律下，较之其他可能的宇宙，我们的宇宙可能因为特殊的初始条件而获得了特殊的性质。新的理论必须对这一点作出解释。
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以上就是一个真正的宇宙学理论需要满足的基本要求。鉴于我们在讨论一个关于整个宇宙的新理论，我们还要以史为鉴，从过往物理学先驱的集体智慧中提炼更多的要求。[1]就让我们再回头看看开普勒、伽利略、牛顿、莱布尼茨、马赫、爱因斯坦等伟人当年的手稿，看看他们是如何从反对声中提出新理论的。以下便是我在回顾过往时学到的教训。
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新宇宙学理论要解释我们这个宇宙的特征，这些解释所依赖的事物必须存在或发生于宇宙之内。解释过程的任何环节都不能跑到宇宙之外，也就是说，新理论必须满足“解释的自给自足性”（principle of explanatory closure）。
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要想满足科学性，新宇宙学理论其实不需要对每一个问题都给出精准的答案，但它要对大量的问题给出前瞻性的方向。当我们掌握宇宙的更多细节时，我们就能回答这些问题。莱布尼茨的充分理由律认为，任何形如“宇宙为什么有这样的特征”的问题必然存在一个答案。对于一个新的科学理论来说，一个重要的测试标准就是，它能否增加我们可能回答的问题的数目。如果我们解释了早先理论无法解释的宇宙特征，物理学就取得了进步。
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莱布尼茨的充分理由律带给宇宙学理论一些额外的要求。其中之一是，宇宙之中，事物不可能只作用于其他事物而自身不受影响。所有的影响、所有的力都是相互的。我们将此称为“单向作用的不存在性”（principle of no unreciprocated actions）。在将牛顿引力理论替换成广义相对论的过程当中，爱因斯坦使用了这一原则。他指出，牛顿的绝对空间指引着物体的运动，物体却无法影响绝对时空，两者间的作用不是双向的，绝对时空是绝对不变的。而在爱因斯坦的广义相对论中，物质和时空几何的作用是双向的：时空几何告诉物质如何运动，物质反过来影响时空的曲率。类似地，牛顿的绝对时间也是绝对不变的。在牛顿的假想中，不管宇宙有没有物质，时间都以固定速率流动。而在广义相对论中，物质的出现能改变时间的速率。
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以上原则禁止固定背景结构出现在新理论中。因为这些固定背景结构不随时间而变，也不随物质的运动而变。
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这些固定背景结构如同物理学的潜意识，潜移默化地改变了我们对自然世界基本概念的思考。我们会说我们知道某个“位置”，这是因为在潜意识中，我们认定某个绝对参照系的存在。在物理学的前进道路上，许多重要步骤就是基于识别这些固定背景结构，再将它们替换为宇宙之内就有的动态因素。恩斯特·马赫在反驳牛顿时空观时就是这么做的。他认为，我们在转圈时感觉头晕，并不是因为我们相对于绝对空间运动，而是因为我们相对于宇宙中的其他物质运动。
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如果我们坚持双向作用、排除固定背景结构，这等同于在说，宇宙之中的每个个体都是动态的，都是与其他个体相互作用的。这便是莱布尼茨关系主义的精髓（请回想一下第3章中我们就“位置”含义的讨论）。我们可以进一步拓展这一观点，要求新宇宙学理论的每一个性质都反映动态个体间的相互作用。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876984]
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对称性，只是近似成立
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一个物体的特质，顾名思义，指这个物体区别于其他物体的性质。如果物体的所有特质都必须由相对关系给出，那么任取两个物体，它们与其他物体的关系必然不同。如果两个物体同宇宙中其他物体的关系完全相同，那么这两个物体一定就是同一物体。此即莱布尼茨理论的“全同关系的同一性”（identity of the indiscernibles）原则，它也是充足理由律的推论。如果两个不同物体同其余物体的关系相同，认为它们是不同物体并不可互换就显得毫无理由。继续坚持二者不同的话，就是在说这个关于世界的事实不存在任何理性的解释。
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自然界中不可能存在终极对称性。如果我们对一个物理系统做某种变换，交换它的局部的同时，保持它的可观测物理量不变，这种变换被称为对称性。[2]举例来说，牛顿力学中将子系统从空间中的一个地方平移到另一个地方，这就是对称性。这是因为物理定律不取决于系统在空间中的位置。把一个实验室往左挪15厘米，理论的预言不会变，影响实验结果的因素也不会变。我们将实验结果的空间位置独立性，称作物理学的空间平移不变性。
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对称性在已知的物理理论中非常普遍，它是物理学家们的法宝。然而，如果莱布尼茨的原则确实正确，对称性就不可能是宇宙的终极性质。
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我们常常将我们所研究的子系统当作整个宇宙中的唯一存在，这正是对称性的起源。我们忽略了实验室中的原子与实验室外的宇宙的相互作用。正因为此，将实验室移往空间的任何位置都可以。同样，我们可以将研究的子系统旋转任意角度。如果子系统与系统外的宇宙的相互作用不能被忽略，那么我们肯定不能将系统任意旋转。
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那么，我们是否可以让宇宙自身平移或旋转？这是不是某种对称性？答案是否定的。因为在这些过程中，宇宙内的任何相对位置都没有发生改变。从相对关系的角度来看，平移或旋转宇宙毫无意义。像平移或旋转之类的对称性并不是终极对称性。此前的章节中，我们谈论过将世界一分为二，对称性正是起源于这一方法。这些对称性都不过是作用于亚宇宙系统的近似规律的特征。以上论证引发了一个令人惊讶的后果：如果对称性不过是近似成立的，那么物理中的动量守恒、角动量守恒、能量守恒也必然是近似成立的。这些守恒定律分别建立于空间平移对称性、空间转动对称性、时间平移对称性之上。20世纪初，女性数学家埃米·诺特尔（Emmy Noether）证明了守恒定律和对称性之间的关系。[3]她的定理是物理学的支柱之一，理应多加宣传。
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因此，这个未知的新宇宙学理论将不可能具有对称性和守恒定律。[4]一些粒子物理学家依据标准模型的成功经验，总喜欢说，越为终极的理论就拥有越多的对称性。然而，这是条完全错误的经验。[5]