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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700877024]
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来
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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。
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然而，我们一方面要论证时间的真实性，另一方面又要论证“宇宙各处正在发生什么”这个问题有没有意义。这里，“正在发生”指的是和我们感知的时间流逝同步发生。全局时间观意味着，我们所感知的时间流逝可以被宇宙各处共享。当然，这直接违背了狭义相对论和广义相对论中的同时的相对性原理。我们必须直面这个冲突。因为同时的相对性，以及真实是一种共享概念的观点，产生了我们在第6章中所述的块状宇宙图景。在块状宇宙中，我们日常感知中最基本的部分——时间的流逝，并不是真实的。
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有人会试图调和时间的真实性和同时的相对性之间的矛盾。这样做，要么需要唯我论的现实概念，要么需要因观测者不同而不同的现实概念。这些现实观中，真实的现在和尚未真实的未来之间没有客观区别，也没有所有观测者都能认同的区别。而且，正如我强调的那样，在超越量子力学理论或理解空间演生的过程中，全局时间假设对我们有莫大的帮助。还有一点值得注意，全局时间假设并没有和证实狭义相对论的实验观测相矛盾。在形状动力学中，我们看到过这一点。最后，自然界中是否确实存在最佳全局时间，还是要靠实验来判断。这也正是我赞同这一假设的原因，它可以作出可被实验验证的新的预言。
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一个终极困局
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自然规律随时间演化的观点作出了一个承诺：基础物理学会因此变得更具预言能力。但这也把我们带到了一个终极困局面前：我们自然会问，存不存在一种掌控自然规律演化的规律。我们称这样的规律为“元规律”（meta-law）。元规律作用于规律之上，而不直接作用于基本粒子之上。观测元规律的作用可能很难，因为它可能只现身于诸如大爆炸之类的巨变之中。然而，如果我们希望得到一个关于我们宇宙的完整解释，得到一个完全满足充足理由律的解释，难道元规律不该包含在内吗？
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假设元规律确实存在。难道我们不应该探究为什么是这个元规律而不是那个元规律，在掌控自然规律的演化吗？如果元规律可以从过去规律的基础上制造未来的新规律，那么“为什么是现在这些规律”的部分解释就取决于过去的规律。因此，我们无法回避“为什么是这些初始条件”这个问题。元规律假设能引发无穷的递归，例如，为什么是这些元规律，是否还有元规律的元规律？这是困局的一面。困局的另一面在于，可能根本就没有元规律。如果这是真的，那么物理定律的进化过程就掺杂着随机因素。我们回到了同样的结果：不是一切事物都存在一个解释，在最为基础的科学层面，充足理由律没有得到遵守。我和罗伯托·昂格尔将这一困局称作“元规律困局”（meta-laws dilemma）。
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第一眼看，元规律困局无解。可在反复思考数年之后，我相信这一困局其实是一次绝佳的科学机遇，它刺激我们探索出一个能够将其解决的新理论。我对元规律困局的解决很有信心。我相信，这个解决方案将开启21世纪宇宙学和基础物理学突破的大门。
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对部分统计式的元规律来说，元规律困局可被宇宙自然选择假说（见第11章）临时性地回避。假想每次宇宙大反弹时，标准模型的参数都会发生略微变化，我其实描述了一种元规律。这种元规律可以部分地回避元规律困局。当然，我们很希望知道参数改变究竟如何发生，我们很希望能够描述参数的随机改变机制。诸如圈量子引力论或弦论之类的量子引力理论（人们首先在弦论的背景下提出了这个想法），或许能使我们更深入地了解这个问题。但即便没有更深入的了解，宇宙自然选择假说本身可被证伪，也具有解释能力。
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先例原则是元规律的另一种形式。先例原则具有部分统计性。同宇宙自然选择假说一样，它能够回避（至少是推后）元规律困局。对于一个困局来说，即便是推后也能让我们收获颇丰。它打开了通过实验检验假设的空间，并最终提出了新的问题和解决方案。但是，想要彻底解决元规律困局，驱动自然规律演化的动力学，一定和我们熟知的规律有很大差别。这些差别非常大，不会再产生“为什么是这些元规律”“为什么是这些初始条件”等问题。
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通用原则
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以下让人意外的方法可以解决元规律困局：假设两个元规律提案可以等价——也就是说，在规律进化过程中，两者的效应相同。[1]世界上存在“计算的通用性”原则，或许也存在“元规律的通用性”原则。在计算机科学领域，“通用性”是指，如果一个方程可以被一台计算机用于计算，一定也可以被其他计算机用于计算，无论其他计算机用的是什么操作系统。元规律的通用性原则与此类似。它认为，讨论实际运行的是哪个元规律并没有什么意义，因为两个元规律给出的所有实验预测完全相同。
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还有一种超越牛顿范式的科学宇宙学方法，即将定律和位形结合起来。这样一来，我们就不必分别知道定律和位形。我们仅需知道二者的结合体——“元位形”（meta-configuration），它同时包括了二者的信息。这个观点符合一个假设，即所有的真实都是当下的真实。从某种意义上说，当一个定律作用于一个位形时，它的具体形式也是当下的一部分。定律的具体形式和位形的具体形式不可能有太大的差别，所以我们将它们统一为一个元位形。伽利略统一了尘世和天堂。现在，是时候统一它们的“影子”了，我们要统一受时间约束的位形和独立于时间的自然规律。
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驱动元位形进化的规则非常简单，我们可以用通用性原则对其加以解释。初始位形的选择，可以同时指明初始物理定律以及初始条件。元位形的一些成分演化得快，一些成分演化得慢。前者可算作位形，后者可算作定律；前者的演化由后者决定。但从长远来看，定律和位形之间的区别并不存在。我依此想法构造了一个模型。只是目前为止，这个模型离现实世界还有段距离。[2]
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元规律的通用性、元位形，再加上先例原则、宇宙自然选择假说，我们已经有四种方法解决元规律困局。需要承认，这些方法还很原始。毫不夸张地说，21世纪宇宙学的发展方向将由元规律困局的解决方案决定。
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时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700877027]
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宇宙是唯一的，只发生一次
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在本书开始的几章，我质问了数学在科学中的地位。在本书结束之前，我将很快回到这一主题。因为我们应该看到，时间的真实性对于数学在物理学中的地位有着很重要的影响。