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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]
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越为终极的理论拥有越少的对称性
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现在,这个未知的新宇宙学理论终于要面临最重大的问题:这个理论中的时间到底为何物?它是否会像爱因斯坦的广义相对论,时间会在其中消失?它是否会像巴伯的量子宇宙学理论,时间一直不存在,仅在适当的场合演生?它是否会超越牛顿以来的一切理论,时间将在其中扮演更为核心的角色?
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我相信,想要回答“为什么是这些定律”这一问题,时间是关键。如果我们想要解释自然规律的由来,这些自然规律不能一成不变。哲学家查尔斯·皮尔士指出了这一点。让我们再看一次他的原话,梳理一下他的论证。他这样说道:“假设自然界的普适规律以某种人类能够理解的形式存在,但却不给出为何人类能够理解的理由,这种假设很难说是合理的。”
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我们可以通过莱布尼茨的充足理由律理解以上观点:为什么人类发现的自然规律就真的是自然世界的规律,其他可能的规律就不是。充足理由律会要求我们对这个问题作出回答。接下来的两句话中,皮尔士进一步强调了这一点:“一致性正是这样一个值得我们去解释的规律……规律比之其他事物,更需要我们去解释。”这其实正是在问“为什么是这些定律”。世界上的所有事物都值得我们去解释。可最值得我们去解释的,正是这些被我们发现的自然规律,它们到底为什么在这个宇宙中成立。
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接下来,皮尔士断言:“我们仅有一个可能的答案可以用来回答自然规律为何如此,可以用来回答为何存在一致性。这便是假设它们是演化的结果。”这是一个很重大的声明。皮尔士没有给出得出这个结论的理由,只是简单地声明,想要回答“为什么是这些定律”,“唯一可能的答案”是假设自然规律由演化而来。我不知道皮尔士在其他著述中,到底有没有提供支持这一结论的论证。以下是我想到的一个论证,或许他也这样想过。
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我们的任务是解释某个事物为什么具有某一特性。此处,宇宙就是我们关注的事物。它的特性包括,宇宙中的基本粒子和相互作用可以通过粒子物理学标准模型来描述。这个问题很具挑战性。因为我们知道标准模型中的很多参数好像很随意,它只是其他许许多多有着不同参数的模型中的一个。所以,我们到底应该如何解释为什么是这个定律,而不是那一大堆可能的替代品呢?
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由于替代品众多,没有哪个原理指明我们就该看到某个物理定律。假如没有理由作出特别的选择,那么在逻辑必然性之外,一定还有什么其他原因决定了我们的选择。在其他一些场合,世界或许作出了不同的选择。这些场合可能存在,又或许已经存在。那么回到我们的宇宙,我们又该如何解释选择到底是怎么定下来的呢?
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每一次大爆炸发生之时,就是选择自然规律之时
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如果世上真的只有一个宇宙,那么我们可能永远得不到令人信服的解释。因为这种情况下,选择就是选择,没有任何逻辑上的原则决定到底该如何选择。想要得出令人信服的解释,我们需要其他宇宙,并赋予它们诞生时的物理定律。换句话说,我们需要不止一次的大爆炸。每一次大爆炸发生之时,就是选择自然规律之时。(为了使表述简洁,我们假设自然规律在大爆炸时得到了选择。从大爆炸至今,自然规律一直保持不变。对此,我们还没能提出反例。)
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既然大爆炸是选择自然规律的重大事件,那么我们就需要回答大爆炸到底是如何被安排的。让我们使用此前定下的原则:宇宙必须是可以自我解释的,必须是因果闭合的。换句话说,我们假设宇宙包含了可以解释内部所有事物的因果链。想要解释大爆炸时自然规律是如何定下来的,我们只能借助大爆炸之前的事件;想要解释上上个大爆炸时自然规律是如何定下来的,基于同样的逻辑,我们还要借助更早以前的事件。于是乎,我们就有了一连串的大爆炸,它们朝着过去的方向无限延伸。让我们随便选取其中一个大爆炸,将其作为起点,顺着时间的方向一次又一次地选择自然规律。我们将看到,在不断接近这个宇宙的过程中,自然规律不断演化。因此,我们得出了与皮尔士相同的结论:想要解释自然规律,它们就必须是演化的结果。[6]
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大爆炸的序列可以是序贯式的,也可以是分叉式的。在后一种情况中,它既可以向过去分叉,也可以向未来分叉。根据大爆炸序列是否分叉,或根据大爆炸之时到底是什么修改了物理定律,我们可以构建许多不同的假说。不管是什么假说,我们都需要通过那些发生在大爆炸之前、与大爆炸有因果联系的事件,来解释大爆炸之时自然规律到底是如何选定的。我们或许可以通过实验检验其中一个场合:大爆炸之前的事件可能会有残余信息躲过宇宙创生之时的种种磨难,从而可能被我们发现。上述理论允许在大爆炸之前自然规律随时间的进化。在第11章和第18章中,我们将举例阐明这类理论所作出的预言。
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然而,如果大爆炸之前就没有过去,那么自然规律与初始条件的选择就会显得有些随意,我们也无法检验此类选择到底是否存在。同样,如果大爆炸之前的宇宙与我们的宇宙因果无关,那么我们也无法借助大量的宇宙来测试此类选择。对于科学的宇宙学来说,那些与我们的宇宙因果无关的其他宇宙,不能帮助我们理解这个宇宙的特性。平行宇宙就是这样的例子。所以,想要构建一个科学的、可证伪的宇宙学模型,就必须假设自然规律随时间演化。
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罗伯托·昂格尔对此做了更为优雅的阐述。[7]时间要么是真实的,要么不是;如果时间不是真实的,那么自然规律就该独立于时间。但是,如同上文所讨论的那样,选择这些自然规律的理由就得不到解释。如果时间是真实的,那么包括自然规律在内的一切事物都不会一成不变。如果总是将同样的规律作用于自然世界,那么我们就回到了牛顿范式。你可以通过这些规律数往知来,或者等价地说,你可以将物理上的因果关系替换为数学上的逻辑关系。因此,时间的真实性意味着自然规律不可能一成不变,它们必须随着时间演化。
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物理定律的时间独立性也违反了相对关系原则中的单向作用不存在性。如果你将自然规律排除在这个原则之外,将它视为宇宙之外的事物,就等于说,它们不可能被解释。为了使自然规律可以被解释,我们需要将它们视作世界的一部分,如同基本粒子一样。这使得自然规律受制于随时间的变化、受制于因果关系。事物随时间的变化、事物之间的相互影响,这是一场将世界关联为一体的舞蹈。只有当自然规律参与到这场舞蹈之中,它们才可能获得解释。
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假设我之前提到的原则都是合理的,尽管我们还没有新宇宙学理论,但我们对它多少有了一些了解:
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●它要涵盖我们已经获得的知识,包括各类近似的知识。
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●它要满足科学的基本原则。即它必须作出可被实验验证的预言。
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