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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876997]
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
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我们已经看到，承认时间的真实性为我们开辟了一条认识世界的新途径。通过这一途径，我们得以了解宇宙如何选择自身的规律，也得以一探量子力学的神秘本质。然而，我们依然需要跨越一个巨大的障碍，一个来自狭义相对论及广义相对论的强大观点：块状宇宙图景。这一观点认为，宇宙的历史是一个超脱时间的整体，而这一整体才是唯一的真实。[1]
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块状宇宙图景依赖于狭义相对论的一个重要概念：同时的相对性（见第6章）。但如果我们假设时间是真实的，更具体地说，假设每一个现在的瞬间是真实的，那么在真实的现在与尚不真实的未来之间存在着一道真与虚假的边界。这道边界在所有参考系下的观测者眼中相同，这样的边界给出了一个普适且客观存在的同时性的概念。这种同时性适用于任何相隔遥远的事件，事实上，它适用于整个宇宙。这种同时性可以被称为“全局最佳时间”（preferred global time，这里冠以“全局”之名，是因为我们可以将以上时间的定义延伸到整个宇宙）。全局最佳时间的存在与相对论直接相悖。同时的相对性原理排除了这样的时间。另一方面，在第13章中我们看到，任何隐变量系统必然依赖一个全局最佳时间，这意味着充足理由律与同时的相对性原理存在矛盾。
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本章我们将解决以上矛盾，我们会选择支持充足理由律。这意味着我们将放弃同时的相对性，并采纳它的对立观点：全局最佳时间确实存在。值得注意的是，我们的取舍并不是对相对论的全盘摈弃，我们只需要对相对论进行一次改写。对于广义相对论深层次的全新解读构成了以上观点的核心，同时也向我们揭示了一个关于时间真实性的全新概念。[2]
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全局最佳时间
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全局最佳时间可以挑选出这样一批观测者：他们散布于宇宙的各个角落，却都用全局最佳时间校准自己的时间。这种观测者的存在意味着绝对静止状态的存在。绝对静止状态，这一概念使人回想起亚里士多德的静止观，或是19世纪物理学中的以太说。爱因斯坦以狭义相对论一举击败了以上两种观点。爱因斯坦之前的物理学家，往往相信光的传播需要媒介，因而认为以太不可或缺。同时的相对性原理声称，没有任何物体可以处于绝对静止状态。据此，爱因斯坦否认了以太说。
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这样看来，重提绝对静止状态不仅会制造矛盾，同时也令人沮丧。否认以太说常常被认为是一次批判性推理战胜惰性思考的典范。早先，人们可以相当容易地通过亚里士多德的观点来描述世界。后来，伽利略和牛顿建立了惯性系的相对性原理。据此原理，人们再也无法通过观测物体的运动与否来探测物体是否处于绝对静止状态。但是，静止就是不动的观念依然在物理学家的头脑中默默潜伏。当理论物理学家需要一种光的传播媒介时，绝对静止的观念就导致了以太说的流行。唯有爱因斯坦具备了破除以太说的洞见。然而现在，我们要重返全局最佳时间，它否认了爱因斯坦击败以太说的伟大胜利。这一忧虑成为一道心理障碍，阻碍着人们接受时间的真实性。至少当我试图说服自己时是如此。
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在讨论如何从理论上解决两者之间的矛盾之前，让我们先听听实验物理学有何意见。全局最佳时间的存在意味着最佳观测者的存在。这些观测者通过全局最佳时间校准自己的时间。他们的存在与惯性系的相对性原理相悖。相对性原理告诉我们，一个观测者静止或是以某个恒定速度运动，两者无法通过实验观测加以区辨。
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实验物理学告诉我们的第一点是，宇宙的特别结构确实可以挑选出绝对静止状态。透过望远镜对四周天空的观测，我们看清了这一点。我们发现，绝大多数星系正在以相同的速度朝各个方向离我们远去，但这种观测结果只会对一个观测者成立。假设另外一个观测者以很快的速度远离我们，他会发现那些在他前方，正被他追赶的星系的移动速度小于那些在他身后的星系。此外，我们有很好的证据证明，在大尺度下，宇宙中的星系分布均匀。也就是说，从任意方向观测宇宙，它看上去都差不多。根据以上事实，我们可以推断，空间中的任何一点，都可以有一个特别的观测者。在他眼中，星系以同样的速度朝各个方向离他远去。[3]由此，星系的运动挑选出了该点处的最佳观测者，进而挑选出了空间任何一处的绝对静止状态。
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微波背景辐射是另一种挑选最佳观测者的方法。在最佳观测者眼中，各个方向上的微波背景辐射的温度相同。[4]
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令人欣喜的是，通过以上两种方法挑选的观测者其实为同一类。因为一般来说，在微波背景辐射各向同性的参考系中，星系保持静止。如此看来，宇宙的构造确实可以挑选出唯一的绝对静止状态，这一事实的存在不一定与运动的相对性原理相矛盾。一个理论所展现的对称性并不一定要在其预言中呈现。事实上情况往往正好相反——预言常常不遵守理论中的对称性。空间中没有绝对方向并不意味着今天不会刮北风。我们的宇宙仅仅是广义相对论方程的一个解。现在这个解展现出了不对称性，具体来说就是允许绝对静止状态存在，这并不意味着需要破坏相对论本身的对称性。或许是我们宇宙的某个初始条件引发了这一不对称。
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另一方面，我们很想知道宇宙为何可以明确地挑选出最佳观测者，为何它处在这样的一个特殊状态。这又是一个有关宇宙初始条件特殊性的问题，也是一个广义相对论无法回答的问题。据此可以看出，宇宙中似乎还存在着一些无法被广义相对论涵盖的东西。这样看来，绝对静止状态的存在似乎指向了一些更深层次的东西，一种比广义相对论更深层次的物理。这值得我们深思。
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扭转乾坤的形状动力学
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如果绝对静止状态确实标志着更深层次的理论，那么在许多其他类型的实验中，我们也应该看得到它的身影。然而在亚宇宙学尺度的实验中，惯性系的相对性原理相当好地通过了各种测试。爱因斯坦狭义相对论的预言被大量实验证实。这其中的许多实验可以被理解为是在检验自然界中是否存在绝对静止状态。[5]
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因此，实验观测带给我们的消息有好有坏。在大尺度上，我们有证据支持绝对静止状态的存在。这一存在必须由宇宙初始条件的特殊性来解答。但在小尺度上，相对论原理掌控着一切。最近，这一谜题有了巧妙的解答。广义相对论可以被优雅地重写，它可以包含最佳时间。这一改写不仅仅是对相对论的一次重新理解，它揭示了一种客观存在的最优时钟同步机制。这个机制使得宇宙各处的时钟保持同步。进一步看，物质和引力能量在宇宙中的分布决定着最优同步机制的选取。因而我们并没有倒退回牛顿的绝对时间观。这个同步机制无法被任何局域的测量所发现，所以它与相对性原理在亚宇宙尺度的系统中完全相容。
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这一扭转乾坤的理论被称为“形状动力学”（shape dynamics）。[6]它的主要原理是：物理学中所有的真实性均为与物体形状相关，所有真实的变化都是形状的变化。物体的尺度在这一理论中没有意义，认为一个物体有一个内在不变的尺度，不过是一种假象。
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我们在第7章中讨论了朱利安·巴伯的无时量子宇宙论。形状动力学正是构筑于他提出的一系列想法。巴伯是相对论哲学的重要提倡者。形状动力学起源于他对物理理论相对性孜孜不倦的追求。10年来，他同尼尔·墨菲（Niall Ó Murchadha）以及其他年轻合作者，完成了许多理论所需的重要步骤。但让形状动力学在2010年夏秋之际成型的最终一步，是由加拿大圆周理论物理研究所的年轻科学家合作完成的。他们是：研究生肖恩·格力布（Sean Gryb）、研究生恩里克·戈麦斯（Henrique Gomes）以及博士后蒂姆·科斯洛夫斯基（Tim Koslowski）。[7]
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如果你知道相对论的基本概念，那么理解形状动力学就变得非常简单。形状动力学不过是相对论非常自然的延伸。让我们回忆一下“同时性”这个概念：只有当两个事件在空间上相邻，我们谈论两个事件是否同时发生或是排列两个事件在时间上的先后，才是有意义的。当我们讨论事件的因果关系时，往往会引发后一个话题。但当两个事件在空间上相隔甚远，对于不同的观测者来说，它们在时间上的先后变得不再绝对。对于一些观测者来说，两件事同时发生，对于其他人来说，两件事有前有后。
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巴伯告诉我们，物体的尺度遵循同样的规律：只有当两个物体在空间上相邻，比较它们的大小才有意义。举例来说，如果你能把一只老鼠放到一个盒子里，你才可以说老鼠比盒子小。同样，当你手上有两个足球，你才可以说这两个足球直径相同。这些例子中的尺度比较具有物理意义，所有参照系下的观测者都会同意比较的结果。
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现在让我们试着问一问，这只老鼠是不是比隔壁星系的某个盒子小？问这样的问题有没有意义，比较的结果是否能被所有参照系下的观测者一致同意？我们面临的难题是，老鼠和盒子相距过于遥远，你无法通过将老鼠放入盒子里的办法判断两者大小。
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为了回答上述问题，我们可以将盒子移到老鼠旁边，然后再尝试将老鼠放入盒内。可是上述操作偷换了我们的问题，因为我们又在同一个地方比较了老鼠与盒子的大小。假设某个物理过程可以将一切移入银河系的物体变大，那么在我们将盒子从另一个星系移到这里的过程中，本来较小的盒子扩张到足以容得下老鼠。或许我们也可以送一把尺子出去测量盒子的大小。可是谁又知道，尺子会不会经历相反的物理效应，在从老鼠到远方盒子的途中收缩。
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就是这个简单的想法使巴伯和他的朋友们提出了尺度的相对性。比较两个不相邻的物体的大小是不明智的，你唯一能够比较的是物体的形状。因为无论尺度如何伸缩，形状不受影响。所有的尺度都有相对性，宇宙的总体积是唯一的例外，这个体积在给定的时刻必须保持不变。要阐明这个例外，我们不得不借助一些术语。大致来说，如果我们在空间的某处收缩万事万物，那么我们必须在另一处扩张万事万物。收缩和扩张总是保持等量，因而两者相消。所以宇宙的总体积在那一瞬间保持不变。当然，宇宙的膨胀会导致宇宙的总体积随时间而改变。
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