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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700877023]
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宇宙重生
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获得重生的还可能是整个宇宙，而不仅仅是其中的黑洞。这一假设下的一类宇宙学模型，被称作“循环宇宙模型”（cyclic models）。普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和圆周理论物理研究所的尼尔·图罗克（Neil Turok）发明了一种特别的循环宇宙模型。在创立这一模型的过程中，他们假定宇宙学常数会不断变小，直至为零，再变为大的负值。[4]这一过程会使得整个宇宙急剧坍缩（原因不再赘述）。然而，他们认为，一个反弹、再膨胀的过程将紧接着坍缩过程发生。反弹的原因或来自量子引力效应，或由于暗能量的极端取值。
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由于存在量子效应，宇宙在终极奇点处反弹并再度膨胀，这一论断的理论证据比前述黑洞奇点模型还要充分。[5]在圈量子引力论的框架内，人们已经研究了若干种宇宙学奇点附近的量子效应模型，这些模型都预测了宇宙大反弹现象。然而我们需要加倍小心，这些研究仅仅是模型。在建模的过程中，人们做了很多假设。其中一个关键假设是，宇宙具有空间均质性。我们确信的是，宇宙中的高度均匀区域将会反弹产生新的宇宙。在这些高度均匀的区域中，不存在引力波或黑洞。
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在最差的情况下，那些高度均匀的区域也不会发生大反弹，这些区域只会坍缩为奇点。它们是时间的尽头。然而，即便在这种最差的情况下，我们仍有一丝希望：此类情况为我们提供了一种选择机制，可以帮我们决定哪些宇宙区域会坍缩，哪些宇宙区域会反弹并重生。如果仅有高度均匀的区域反弹，那么反弹后产生的新宇宙也会变得高度均匀。[6]这作出了一个预言：刚刚经历反弹的宇宙，具有高度的均质性，这样的宇宙中没有黑洞、白洞、引力波，正如早期的宇宙那般。
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若想宇宙大反弹模型呈现出科学性，它必须作出至少一个能被实验验证的预言。我们至少有两个这样的预言，这两个预言都和宇宙微波背景辐射的涨落谱有关。宇宙微波背景辐射中的某些涨落其实并不需要暴胀理论来进行解释，但人们常常认为暴胀理论是它们产生的唯一原因。循环宇宙模型为解释这些涨落提供了额外的选择。我们已经基于循环宇宙模型重现了我们所见的涨落谱。但是，循环宇宙模型的预言和暴胀模型的预言有两点不同，这些不同可以在现在或不久之后的实验中得到检验。其中一个检验是，看看宇宙微波背景辐射中有没有引力波信号：暴胀模型预测了引力波的存在，而循环宇宙模型预测它们不存在。循环宇宙模型还预测了宇宙微波背景辐射的不完全随机——更技术地说，它预测了非高斯性的存在。
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循环宇宙模型认为时间是基础性的，即时间不始于大爆炸，而存在于大爆炸之前。这个观点催生了一个更具预言能力的宇宙学理论。其他一种理论则假设，在早期宇宙环境中，光速是不同的，而且可能比现在更快。这类理论被称为“光速可变理论”（variable-speed-of-light theories）。它们以一种违背相对论的方式，选出了一种时间的最佳定义。因此，这类模型并不流行。但是，无须暴胀模型，它们便有可能解释宇宙微波背景辐射中的涨落。
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罗杰·彭罗斯提出了另一种宇宙重生的场景。[7]大概来说，他接受了宇宙是个永恒的玻尔兹曼宇宙，宇宙学常数是个固定值的观点。然后，他问了这样的问题：在无穷长的时间之后，宇宙会发生什么？（也只有罗杰·彭罗斯会问这样的问题。）他怀疑在某个时间点后，所有带质量的基本粒子会发生衰变，其中包括质子、夸克和电子，而且只有光子及其他零质量粒子得以存在。如果真是这样，那么我们便没有任何方法测量时间的无限流逝。因为，对于以光速运动的光子来说，它完全感知不到时间。对于光子来说，晚期宇宙的永恒和早期宇宙的永恒没有任何差别，两者之间唯一的区别在于温度。诚然，两者间的温度相差极大，可这也只是一个尺度上的差距。彭罗斯认为，尺度上的差距无关紧要。对于一团可用相对关系加以描述的光子气来说，真正要紧的是彼时事物之间的比例、互相之间的对比；而系统的整体尺度无从探测。所以，对于充满了冷光子和其他零质量粒子的晚期宇宙来说，它和充满了同样粒子的炙热的早期宇宙没有什么差别。根据全同关系的同一性原则，一个晚期宇宙同时也是一个正在诞生的新宇宙。
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彭罗斯提出的场景仅在无限长的时间后发生，所以它解决不了玻尔兹曼大脑悖论。可是它预言，大爆炸的遗迹中包括过去宇宙留下的化石。通过这些化石，我们便可以收集有关早期宇宙的信息。虽然大多数过去宇宙的信息都被永恒的平衡态“扫清”，但一种信息的载体永远不会变得无序，即引力波。通过引力波，信息可以穿越循环宇宙模型中的大反弹，进入新的宇宙。
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在这些引力波中，最强的信号来自大黑洞之间的碰撞。这些大黑洞曾隐藏于那些早已消逝的星系中央。碰撞的涟漪向外传播，在天空中形成了一个个大圆。引力波的传播永不停歇，它们活过了新旧宇宙的过渡期。于是彭罗斯预测，在宇宙微波背景辐射中，我们应当能看到这些大圆。而宇宙的早期历史锁定了宇宙微波背景辐射的结构。那些大圆，是宇宙中过去发生事件的阴影。
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此外，彭罗斯预言，在宇宙微波背景辐射中，应该有许多同心圆的存在，这些同心圆来自星系团。随着时间推移，不只一对的星系黑洞会在星系团中碰撞。这是个惊人的预测，它和大多数宇宙学模型预测的宇宙微波背景辐射模式不同。如果这些非常模式能够被验证，它便可以算作彭罗斯模型成立的证据。
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在撰写本书时，宇宙微波背景辐射中是否存在彭罗斯所预测的同心圆引发了一场争议。[8]不管争议的结果如何，我们又一次看到这类循环宇宙模型作出了可被观测证实或证伪的预言。另一类模型与此大相径庭，这类模型预测有许多个宇宙同时存在，而我们的宇宙只是其中之一——此类场景还没有作出任何真正的预言，大概也没有作出真正预言的能力。
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在第10章中，我论证过，想要对我们的宇宙的某个特定规律或初始条件进行合理解释，我们需要进行不止一次的选择，否则我们便无法得知选择的原因——如果同样的物理定律和初始条件反复出现，背后肯定存在某些原因。我考虑了两种大爆炸序列的组织办法——同时式的以及序贯式的。在我看来，只有在后一种情况下，我们才能得到一个满意的宇宙学理论：它既能回答“为什么是这些定律”这个问题，又能作出可被实验证伪的预言，从而确保科学性。在本章，我再次比较了宇宙的这两种组织方式。我们已经看过了许多细节，这些细节告诉我们，只有序贯式的宇宙序列才能为可行的实验作出可被验证的真正预言。
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因此我们看到，如果承认时间的真实性和基础性，承认要想理解今日的宇宙就必须了解宇宙的历史，我们就能让宇宙学理论更具科学性，我们的观点也更容易被实验证实或证伪。形而上学的前提为科学加上了重担，它认为，科学的目的是发现由永恒数学对象组成的永恒真理。某些信奉这些前提的人试图消除时间，使宇宙类似于一个数学对象。他们认为这是科学宇宙学的正途，然而，事实被证明恰好相反。正如哲学家查尔斯·皮尔士在一个世纪前理解的那样：“想要解释自然规律，就必须接受它随时间演化的观点。”
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在本书第二幕，我们爬出了无时的深渊，让时间回归本位，回归我们世界观的核心。在第一幕中，我们呈现了诸多时间非真的论证，这些论证看似强大，实则基于一个谬误，即将牛顿范式扩展为一个能够描述整个宇宙的完整理论。正如我们所看到的那样，牛顿范式的成功之处在于，它是描述了宇宙局部系统的物理学。但这一特征，恰恰破坏了牛顿范式之于整个宇宙的适用性。如果想让宇宙学以及基础物理学继续向前发展，我们就需要一个自然规律的新概念：它应该能在宇宙尺度上成立，能够避开所有的谬误、困局、悖论，并能够回答旧理论框架无法解答的问题。此外，这个新概念应该是一个科学理论——这就意味着，它应该作出可被可行实验证实或证伪的预言。
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第10章中，我们开始探索这样一个新框架，并提出了指引我们这一探索工作的基本原则。其中最为重要的原则，就是莱布尼茨的充足理由律，它迫使我们回答宇宙作出每一个取舍的理由。充足理由律导出了其他一些原则：全同关系的同一性，解释的自给自足性，单向关系的不存在性。这些原则限定了一个框架，我们必须通过彻底的相对关系来理解自然界中万事万物的一切性质。
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若想实现这些原则的要求，若想发现可行的宇宙学理论，那么，在我看来唯一的方法就是假设自然规律随时间演化。这又要求时间具有真实性和全局性。一个很有前途的进展正是第14章中描述过的形状动力学，形状动力学在广义相对论中重新唤醒了最佳全局时间的概念。
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允许自然规律演化的真实时间，加上我们所列的这些原则，为新的宇宙学理论打下了基础。在本书第二幕第11章至第18章中，我们描述了迈向新宇宙学理论道路上的诸多发展。这些发展还不完备，还没有形成一个自洽的理论。相反，它们是一种愿景：它们告诉我们该如何重构宇宙，又该如何重构宇宙学要承担的任务。虽然所有发展都没有事实依据，但很多发展为可行的实验作出了可被验证的真实预言。无论最终是被实验证实还是证伪，它们至少展示出这样一个事实：从时间真实性的假设出发，我们能得到一个更具科学性的宇宙学理论。
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真实的全局时间也能帮助我们解决其他一些物理学的未解之谜。举例来说，我们需要超越量子力学的统计式预言，才能描述并解释单个事件中到底发生了什么。在第12章和第13章中，我描述了两种通往更深层次量子理论的方法。这两种方法都要求时间是最为基本的。这两种方法与量子力学之间似乎有着非常大的差距，我们或可以通过实验对它们加以区别。
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另一个时间真实性大显身手的场合，就是描述宏观世界的行为。宏观世界演生出了热力学，也一并演生出了温度、压强、密度、熵等概念。在经典层次，时间似乎拥有很强的方向性，我们可以识别出许多时间箭头，它们可以显著地区分过去和未来。有些理论中，时间不是基本的，而是演生的，宇宙的时间非对称性在这些理论中令人费解。时间非对称性要求我们把这个世界最为显然的特征，归因于极不可能的初始条件选择。如果我们认为时间是真实的，并认为宇宙的终极理论如宇宙一般具有时间不对称性，我们就能避开这一困难。