漫聊合集 超越牛頓範式的終極理論，讓時間重回物理學的舞臺中心

問你一個問題 時間這個東西它真實的存在嗎? 我是說除了人類的主觀感知 它是一個客觀存在的東西嗎? 這並不是一個廢問題 不是所有的名詞都對應物理上客觀存在的事實 比如說正義 比如說藝術 幸福等等 都只是人類的語言 它並不代表物理實在 我們之前曾經講過一期節目 標題是 時間的消失 物理學在時間內 數學在時間之外 這期節目到今天時間隔得比較久了 忘了的話你可以去聽一聽 這裏面說到了一個重要的觀點 從伽利略時代到牛頓時代 時間這個因素被科學給拿掉了 在牛頓的範式裏 一個公式在時間的正向和反向這兩個方向 它是等價的 所以結論是 時間似乎只是我們人類的一種體驗 而不是真實存在的東西 沒錯 人類花了幾百年的時間 用理性的思考 把時間驅逐到了物理學之外 這件事如果你沒有聽我們前面那一期節目的話 可能還真的不太好理解 但是我們要說但是了 故事還沒有結束 當科學向着解釋整個宇宙的終極理論發展的過程中 人們又重新翻找歷史的垃圾堆 不得不把時間重新捧回C位 這是一場漫長又燒腦的過程 我們這一期節目就先從一場充滿哲學意味的思想實驗講起 前蘇格拉底時代的大哲學家阿納克·西曼德 被人們稱爲有史以來的第一位科學家 在他生活的那個時代 人們相信人類棲息於兩種平坦的媒介之間 腳下是大地 頭頂上是蒼穹 萬物都是往下落 只有天空上的天體是例外的 當古人試圖將萬物下落這麼一個自然規律應用到整個宇宙 也就是天空和大地的時候 他們就遇到了第一個悖論 如果天空之下的萬物都會下落 那麼爲什麼大地自己不會下落呢 難道說是一隻大烏龜拖着大地嗎 那個時候的人們真的就這麼相信 那那隻大烏龜爲什麼又不下落呢 因爲它的下面有一隻更大的烏龜 以此類推直到無窮無盡 而在阿納克·西曼德看來 要想獲得一個適用於宇宙的下落理論 就必須進行一場關鍵的革命 他提出的觀點是 沒有所謂的下 萬物往下落這樣說並不對 正確的說法是 我們頭頂和腳下的所有物體都往大地上落 這個發現引發了另一個革命性的發現 也就是大地它是圓的而不是平的 那些總在想是什麼拖着大地的哲學家 犯了一個非常簡單的錯誤 他們試圖把適用於宇宙局部的理論 推廣到整個宇宙 實際上即便到了我們生活的現代 這樣的錯誤也一直存在 人們經常會想 如果一個自然規律是普遍的 是普適的 那爲什麼不能把它應用於整個宇宙呢 這樣做其實犯了一個很大的錯誤 我們可以把它叫做宇宙學謬誤 在物理學中 我們通過物體之間的相互關係 或者相互作用來了解物體的性質 但是宇宙是這些相對關係的總和 也就是說 我們找不到另一個與宇宙相對稱的個體 可以通過那個個體和我們這個宇宙 相互之間的關係來描述宇宙的性質 這樣說你可能不太理解 我們先接着往下聊 在阿納克·西曼德的宇宙中 大地就是這樣一個非常特別的個體 大地是不會下落的 因爲它是所有物體相對下落的對象 類似的 我們這個宇宙不可能由外部的因素觸發 也不可能通過外部事物來加以說明 宇宙本身就是所有原因的集合 在我們生活的時代 對牛頓範氏的虔誠的信仰 會將我們引導兩組簡單的問題 而一切基於牛頓範氏的理論 都沒有辦法回答他們 注意一下 我們這裏說的牛頓範氏並不是說牛頓的公式 它到底是什麼我們後面再來展開說 我們先來說這兩個問題 第一個問題是 爲什麼宇宙有這套特別的定律支配 到底是什麼選擇了這些定律 而不是其他的定律來支配我們這個世界 第二 宇宙從大爆炸開始 而大爆炸有着一系列的初始條件 宇宙可以因爲無窮多的初始條件 而展現出千變萬化的後來的姿態 那到底是什麼機制 從這無窮多的初始條件中 挑選了這一組初始條件呢 那面對這兩類寬泛的重要問題 牛頓的範氏就有些無能爲力了 這是因爲 在牛頓範氏中物理定律和初始條件 都是理論的輸入 曾經有很多物理學家相信 量子物理框架下 有且僅有一種數學上自洽的理論 可以統一自然界中的四種基本作用力 也就是電磁力 強力 弱力 還有引力 如果事實確實是這樣 那回答上面的問題就會變得很簡單了 我們只有一套可能的物理定律 只有這套定律 能夠誕生一個我們如今所見的世界 很可惜 目前的探索顯示 世界上沒有一套唯一的萬物之理 也沒有一套唯一的理論 能夠融合廣義相對論和量子力學 物理學家藉助許多不同的方法 研究量子引力理論 這些理論都取得了長足的進步 然而這些成功的基礎 是理論獨特性的喪失 比如說我們前面講過的圈量子引力理論 在研究量子引力的時候 它允許多種基本粒子或相互作用的出現 另外一個大的方向就是弦理論 弦理論的情況也差不多 人們認爲弦論能夠在量子理論和引力理論 兩者之間實現統一 可是越來越多的證據表明 有許多不同的弦論存在 其中很多弦論又依賴於不同的參數 這類參數數量極其的龐大 而且可以被調成你想要的任何的數值 所以所有這些弦論 似乎都具有數學上的自洽性 那這個事就尷尬了 因爲弦論的初衷就在於 人們想發現一個唯一的終極理論 這個終極理論不但能夠精確地重現標準模型 也可以對各種標準模型之外的觀察做出預測 可惜人們越是研究就越發現 弦論有太多太多不同的版本了 那除了很難回答上面的問題 還有另外的邏輯困局 在牛頓範式中物理定律本身就還有一個大的困局 你想啊 爲什麼我們稱它們爲定律呢 是因爲這些定律適用於許多不同的場合 如果一個定律只適用於一個場合 那它只不過是一種觀測結果而不能叫定律了 對吧 但是任何試圖將物理定律運用於局部宇宙的嘗試 必然運用了某種近似 這裏的意思是說 我們必須忽略系統之外的影響 咱們舉個例子啊 牛頓的第一運動定律是這樣說的 所有自由粒子總是保持勻速直線運動 也確實有大量的實驗檢驗並且證實了這個定律 但是這裏有一個問題 宇宙裏沒有真正的自由粒子 宇宙中的每個粒子 至少都會受到其他粒子的引力作用 如果我們不忽略系統之外的影響 那我們就得考慮整個宇宙了 而整個宇宙也存在問題 因爲它只有一個 這就和我們前面說的 一個定律要在很多不同場景下都成立 這句話產生了矛盾 當然了 我們仍然可以將牛頓運動定律 廣義相對論等等自然規律 運用於小的宇宙系統 但是出於嚴謹 我們不應該忘記 這些適用性 它們都是建立在近似的基礎上的 牛頓第一運動定律 只能是其他一些更精準的物理定律的近似 事實上 牛頓第一運動定律 它就是牛頓第二運動定律的類似 牛頓第二運動定律描述了物體的運動 是怎樣受到外力的影響的 當外力是零的時候 它就變成了牛頓第一運動定律 但問題還是在這 如果我們要精確地驗證牛頓第二運動定律 就需要考慮宇宙中所有粒子 彼此之間的相互作用 所以當我們說一個粒子受到的外力爲零 它本身就是一種高度的近似了 當然了 在現實世界中 就每一次實驗來說 沒有任何一個人試圖檢驗牛頓第二運動定律 是否百分之百精確的成立 我們只能檢驗近似的情況 否則實驗和計算就都沒法進行了嘛 那麼在把牛頓範式中的定律 外推至整個宇宙的過程中 我們就會遇到這個大問題了 儘管我們只有一個宇宙 但是我們有無窮多的初始條件 可以供我們選擇 這個就會導致無窮多的解 這些解都滿足宇宙學定律 每一個可能的解對應於一個可能的宇宙 然而事實是 我們只有一個宇宙 那說到這兒咱們就得暫停一下 給你解釋一下什麼叫做求解啊 物理學是嚴格遵循數學的 當我們描述任何一個物理現象 都必須跟着一個公式來描述它 咱們不能只用大白話 而最終一個物理現象是什麼樣的 都是一個對方程求解的過程 比如咱們經常說黑洞 是愛因斯坦方程的一個解 這麼說你是不是不太好理解 咱們換個簡單的例子 你就知道求解是什麼意思了 比如說牛頓給出了一個方程 F等於MA 這個咱們都學過啊 這個方程本身裏面的力是F 質量是M 加速度是A 現在他們都沒有準確的數字 所以這個方程 它現在沒有描述任何一個具體的物理現象 而只是在描述一個規律 那麼你要想描述一個具體的物理現象 就得求解這個方程 那求解一個方程 就先要有一些初始的參數嘛 比如說我們測量一個物體的質量是10 又測量到它受到的力是2 這個時候我們就不需要再測量了 就能算出來 它的加速度A等於F除以M 也就是2除以10等於0.2 然後我們去測量驗證 果然結果是0.2 這裏爲了簡化我就不說單位了啊 你看這就是一個最簡單的求解的過程 通過對方程的求解 我們得到了這樣一個物理事實 一個質量爲10的東西受到的外力爲2 所以它的加速度是0.2 宇宙中存在着這麼一件事 它的存在本身是牛頓方程的一個解 其他複雜方程的求解也是這個意思啊 只不過的那些方程要複雜得多 求解的過程要找到的已知數字也難得多 但是你知道求解是什麼意思就好了 但我們思考一下啊 這裏有一個前提 在求解之前 你手裏得有一個公式對吧 剛纔我們說的公式就是F等於MA 那這個公式是哪來的呢 是一個叫牛頓的人告訴你的 你爲什麼相信這個公式呢 因爲它被很多物理現象驗證過了 可如果我告訴你 所有這些物理現象的計算過程都是近似的 沒有考慮到全宇宙 你還能相信它嗎 好你說 咱們就花一次大力氣 考慮全宇宙的範圍來驗證這個公式 那這個時候又出現問題了 整個宇宙只有一個 我們沒有辦法驗證第二次 那能相信這個定律嗎 這就好比 有一家的小孩喜歡吃巧克力冰淇淋 他的父母就說 天下的小孩都喜歡吃巧克力冰淇淋 但如果全天下 他們只能看一個小孩 可以讓他們去驗證 那這個定律還可以被信任嗎 甚至有可能 這個小孩的父母根據觀察到的現象 做出來的推論都是不一樣的 比如說爸爸認爲 小孩喜歡吃巧克力味的冰淇淋 而媽媽則認爲 小孩喜歡吃棕色的冰淇淋 這個就是我們前面描述的那個困境 一個定律有無窮多的解 可以描述無窮多的宇宙歷史 當我們將一個物理定律 應用於一個小的宇宙系統的時候 我們其實是在考慮 許多不同版本的系統 用上面的例子就是 F等於MA這個方程裏 有無數種F和M的組合 在宇宙中 也就有無數種加速度的結果 所以當我們將一個定律 應用於一個小的宇宙系統的過程中 我們是可以自由選擇初始條件的 這個沒有關係 出於同樣的原因 如果某一個特定系統存在無窮多的解 那麼這個系統的大量事實 一定還沒有被解釋 無論我們列舉出多少個F和M的組合 都一定還有無窮多個組合 沒有被我們驗證 而一旦我們把定律應用到整個宇宙 麻煩就出現了 宇宙學定律可能有許多的解 不同的解對應不同的宇宙歷史 那爲什麼我們的宇宙 沒有選擇其他的歷史呢 爲什麼在這無窮多的解中 只有一個解對應於 我們看到的真實的自然世界呢 前面我們說的所有的論述 都指向了一個共同的結論 在宇宙尺度上 我們錯用了自然規律 總結一下 原因有三點 第一 當我們把一個物理定律 應用到整個宇宙的過程中 我們其實是在假設其他宇宙的存在 並且對這些宇宙做出了大量的預言 否則你說的就不是一個定律嘛 一個物理定律往往會預言 無窮多個從來沒有出現過的宇宙 我們講弦理論的時候就談過這種困局 第二 普通的宇宙學定律沒有辦法解釋 爲什麼某一個描述了我們宇宙的解 就正好應該對應我們看到的這個宇宙 第三 宇宙定律沒有辦法解釋自身的合理性 它沒有辦法解釋爲什麼自己是對的 而其他定律是不對的 總之啊 定律只能近似的回答 我們的宇宙是個什麼樣 但究其根本 它回答不了 它爲什麼會這樣 想要避開這些困局和悖論 唯一的出路 是尋找牛頓範氏以外的新方法論 說到這我們得解釋一下什麼是牛頓範氏了 相對論量子力學還有最新的標準模型 這些理論都是20世紀物理學的偉大發現 它們代表了物理學的最高成就 它們在數學上表達十分的優美 給出了非常精確的實驗語言 但這些理論本質上都是牛頓範氏的 什麼叫牛頓範氏呢 這些著名的物理理論有一個共同的特徵 正是這個特徵讓它們難以外推到整個宇宙 這些理論都將世界分爲兩個部分 一個部分隨着時間變化 另外一個部分則是假定固定不變的 前一個部分就是那個隨着時間變化的部分 是有待研究的系統 它們的自由度隨時間而改變 後一個部分就是我們正在研究的 這個系統之外的整個的宇宙 我們稱它們爲背景 正因爲背景的存在 前一部分世界中的運動纔會有意義 舉個例子 比如當你測量一個小球的運動 得有一個固定不變的參照物 還需要一個以固定速率運行的時鐘 這兩個東西都必須在小球這個系統之外 它不能受到小球運動本身的影響 在真實的世界中 靜態部分往往由系統之外的許多的動態部分組成 我們忽略了這些部分的運動和演化 從而構建了一個發現簡單物理定律的有效的框架 雖然我們前面說到的很多相對論量子力學 都是在牛頓之後發明的 但他們的這種根本性的觀點 也就是有一個動態性的用於研究的系統 還有這個系統之外固定不變的某個宇宙 這一點在思想上都是一脈相承的 牛頓的思想是如此的偉大 以至於這個世界觀似乎變得天經地義了一樣 而我們今天在探討的這種科學思考 就是在質疑這個天經地義的世界觀 對於很多理論來說 固定的背景中包含了時間還有空間的幾何結構 後來在廣義相對論中 時空的幾何得到了一個動態的描述 也就是說時空本身也被納入了 我們研究的那個變化的系統的範圍 但是這個理論還是假設了一些固定的結構 比如說固定的空間拓撲 還有固定的空間維度等等 那好 我們說的牛頓範式就是這麼一種範式 把世界一分爲二 一部分是動態 一部分是靜態 靜態的部分支撐動態的部分 爲我們提供描述和研究動態部分所需要的一切 這種方法成就了牛頓範式 但它同時也顯示出牛頓範式不適用於整個宇宙 原因就是咱們前面聊過的 我們要研究整個宇宙 那整個宇宙都是動態的部分 而在宇宙之外又沒有任何東西存在了 也就沒有任何東西可以充當那個靜態的背景 沒有任何固定參照物 可以供我們測量宇宙中的運動 有沒有一種方法可以克服這個阻礙呢 我們稱它爲宇宙學挑戰 那聊到這兒 相信你已經可以看清宇宙學困局 到底是如何被嵌入牛頓範式中的了 系統可以存在固定的背景 定律可以存在無窮多個解 這些特徵都預言了牛頓範式在小尺度系統中的成功 同時也註定了這個範式作爲宇宙學理論基礎的失敗 想要解決宇宙學的挑戰 我們就必須發明一個可以適用於整個宇宙的理論 這個理論中 動態的個體必須通過其他的動態個體來加以定義 這個理論不需要一個固定的背景 也不允許有固定的背景 我們稱這樣的理論爲背景獨立理論 當物理學家在實驗室做實驗的時候 會控制實驗的初始條件 爲了測試理論中的假設 他們會不斷的改變初始條件參數 而對於宇宙學觀測而言 初始條件早就由早期的宇宙給定了 我們必須反推其中可能的假設 所以想要通過牛頓範式解釋宇宙學的觀測 我們要做兩步假設 第一我們要假設初始條件是什麼 第二我們要假設物理定律是什麼 那如果我們的觀測和假設的那個預言是不相符的 那就存在兩種更正的辦法 或者我們可以換一個物理定律 或者我們可以換一個初始條件 這兩個辦法都可以影響實驗觀測的結果 這個就引發了新的問題 到底是應該更改物理定律的假設 還是應該更改初始條件的假設呢 如果我們觀測星系、恆星等等宇宙局部的系統 可以通過檢驗許多的局部系統 而將檢驗結果用於某個物理定律去解釋 這個時候我們就會假設 似乎已經找到了一個相對準確的物理定律了 而如果這些系統之間有所不同 那我們首先考慮這源自它們不同的初始條件 這一點也是一般宇宙學觀測和研究的範式 可是剛纔說的都是局部系統 對於整個宇宙來說問題就來了 我們只有一個宇宙 所以我們沒有辦法區分 哪些效應是由物理定律的改變引發的 哪些是由初始條件的改變引發的 對於早期宇宙理論來說 一個重要的測試是來自宇宙微波背景輻射CMB 它是早期宇宙遺留下來的輻射 讓我們可以一窺大爆炸之後40萬年的時候宇宙的情形 於是爆長理論得到了廣泛的認可 這也是我們前面節目重點討論的內容 爆長稀釋了宇宙的初始特徵 把它變成我們所見的龐大 卻又處處幾乎相同的今天的宇宙 爆長預測了宇宙微波背景輻射的特定的模式 它的預言和我們的觀測結果是非常相似的 可是就在前幾年 科學家又發現了微波背景輻射的一個新的特徵 這個特徵叫做非高斯性 這個非高斯性就超出了普通的爆長理論的預言 那這咱們就不展開說什麼叫非高斯性了 總之呢 它就是爆長理論沒有辦法解釋宇宙微波背景輻射的一個性質 想要解釋觀測的結果 我們就面臨兩個選項 要麼修改理論 要麼修改初始的條件 事實上 在這個非高斯性的觀測文章發表之後幾天 就有很多人撰寫論文 試圖解釋這個觀測的結果 有的人就是修改了理論 有的人呢 是修改了初始的條件 所有這些嘗試都成功預測了觀測的結果 如果有一些參數決定了物理定律 還有初始條件 那當然了 你去更改不同的參數 都可以讓理論和觀測相符 就是湊數嘛 當然觀測人員不叫湊數啊 他們把這種情況稱爲減病 當減病發生的時候 通常我們需要引入新的觀測 並且重新做擬合 才能區分到底該修改哪個 如果經過多次新的觀測 我們就知道 到底是理論需要修正 還是初始條件需要修正 因爲一個錯的參數組合 它不可能總是蒙對嘛 多觀測幾次就能驗證出來了 可是 我們剛纔說的宇宙微波背景輻射 是這個宇宙中僅僅發生過一次的事 面對這類觀測的時候 我們就真的沒有辦法回答 到底是應該改變物理定律 還是應該改變初始條件了 我們曾經認爲 牛頓理論、相對論 或者量子力學等等理論 都有可能成爲真正的終極的物理理論 它們將成爲自然世界的完美的鏡像 每一個自然世界中真實存在的現象 必然對應一個物理世界中的數學事實 但這件事到了今天 似乎值得重新討論 我們前面說過了 包括廣義相對論 還有粒子物理學標準模型在內的所有理論 都是近似的理論 它們只適用於自然界的局部 只能描述宇宙自由度空間中的一個子集 我們稱這些近似理論爲有效理論 這個名詞你要記住啊 我們後面還會聊到它 有效理論 實驗物理學的藝術 就在於怎樣巧妙的設計實驗 將一部分有待研究的自由度 從宇宙中給它隔離出來 而理論物理學家 則針對實驗物理學家研究的 自然世界的這個局部 通過有效理論對它進行建模 仔細一想啊 實驗物理學家去設計一系列的實驗 理論物理學家呢 則針對實驗給傳出一些公式來 那照這種思路假設啊 在這個小的系統之外 宇宙其實是空無一物的 一般呢 科學家把它叫做孤立系統 當然他們不是真的相信 這個系統之外空無一物啊 而是說如果不這麼設計的話 這個實驗就沒法做了 但我們知道在真實的世界中 一個子系統和外界事物之間 總是存在着相互作用 所有的系統 不會因爲你去研究它 就變成一個孤立的系統了 所有的系統 其實都是開放系統 實驗物理學家花費了大量精力 把開放系統改造成近似的孤立系統 這些改造其實並不完美 比如說啊 當我們對系統進行測量的時候 我們觀測行爲本身就會影響系統 尤其對於量子力學詮釋來說 這個還是個很大的問題 即便不考慮這個 對於每一個實驗來說 並不完美的孤立系統 實驗物理學家費盡全力 都在試圖從噪聲中提取有效的數據 對於某些非常敏感的實驗來說 落入探測器的宇宙射線 就可能對實驗結果產生影響 那爲了屏蔽這些宇宙射線 這些實驗的實驗室 通常都會架設在地表數公里之下的礦井裏面 但即便是這樣 還有一種東西 可以輕鬆的穿越屏障 那就是引力 理論上來說 沒有任何東西可以屏蔽引力 也沒有什麼可以阻止引力波的傳播 所以完美的孤立系統是不可能存在的 這些局部系統 正是實驗物理學家能夠製造出來的對象 當理論學家發明這些理論的時候 都把它們視作是這樣的 或者那樣的終極理論 但隨着時間的推移 他們都意識到 他們只能描述宇宙中的一小部分 再舉個例子吧 實驗室物理學家 他們都想在極小的尺度上 探索終極的物理理論 歐洲核子研究中心的大型強子對撞機 它最小的可探測精度 達到了10的-17次方釐米 目前爲止 粒子物理學標準模型 和這個精度以上的實驗數據 符合的還都是挺好的 不過如果我們能探索更小的尺度 我們或許會發現 某些標準模型之外的新的現象 這不是危言聳聽啊 而是在科學史上屢屢發生的事件 那麼根據量子力學中的不確定性原理 探測的尺度是與能量層反比的 探測尺度越小 需要的能量就越高 所以我們能夠探索的最小尺度 決定了我們能夠探索的最高能量 然而根據狹義相對論 能量和質量又是同一回事 如果我們的探索存在一個最高能量 就意味着比這個能量更高的粒子 它因爲過於重了 而不能被加速器製造 所以就會被忽略掉 在這些被忽略掉的現象中 就可能包含新的基本粒子 也可能包含未知的相互作用 又或許他們乾脆會告訴我們 量子力學的原理是有問題的 我們剛剛說的這個有效理論的提出 顛覆了一些老觀念 比如說原來科學家們相信 而有效理論 也就是剛纔我們說的 我們研究的所有子系統都是一種近似 這樣的觀點讓人們開始思考 所謂的簡潔、優美 並不一定是真理特有的標誌 而是那些科學家 構建一個良好的近似模型的標誌 上帝創造宇宙 並不一定遵循了非常簡單的原理 並且這個原理還得讓人很容易理解 那就更沒有這個道理了 但科學家有這個義務 或者說他們有這個意願 用簡潔、優美的公式去解釋世界 至少去解釋一個世界的子系統 那對於很多人來說 這個就多少有點讓人失望了 人們希望物理學 可以發現自然界的終極定律 但從定義上來看 有效理論註定不會是終極定律 有效理論也告訴我們 物理學它是一個很務實的學科 它就是一個不斷構建更好的近似理論的過程 注意有效理論是近似的 但並不代表它就是錯的 現在我們普遍認爲 牛頓力學它就是一個有效理論 它只適用於低速、經典的物理過程 在這個領域裏 牛頓力學還是一如往昔般的成功 而適用於更高的速度 更大的質量的廣義相對論 曾經一度被視作對自然的終極描述 而現在人們也知道 它也是一個有效理論 至少從一個方面來看 它不適用於量子領域 廣義相對論充其量 是某一個大統一理論的近似值 我們仍然可以胸懷壯志 去發明一套沒有近似的終極的理論 然而歷史和邏輯告訴我們 至少在牛頓範式的這個框架中 這樣是行不通的 儘管牛頓力學、廣義相對論、量子力學 標準模型等等都非常讓人敬畏 但它們都不可能通往終極的宇宙學理論 想要獲得這樣的理論 就必須設計一套牛頓範式之外的理論 一套不需要接觸近似 就可以應用於整個宇宙的理論 當然人類 尤其是人類中的科學家 不會就此停下腳步 他們會繼續踏上旅途 去尋找那個適用於整個宇宙的理論 沒有任何證據表明 宇宙有義務讓人類找到它 非要說的話 這可能就是這類人特有的一種盲信 這個理論 它必須是背景獨立的 也就是說 我們不需要把世界分成兩半 允許一部分世界是動態的 用來描述一個局部體系中所有參與的變量 而其他的某一個部分 作爲背景 它是靜態的 提供動態變量所需要的一個基本構造 在這個理論中不需要這樣 所有的事物都是真實世界的一部分 可以通過與其他真實事物的相對的關係來被定義 那既然我們只能通過關係來描述物理 那也就意味着事物隨着時間的推移 是會不斷變化的 同時這個理論要滿足下面四個條件 第一 新的宇宙學理論 必須涵蓋所有我們已經獲得的知識 我們需要將廣義相對論 量子力學 標準模型 等等現有理論 加入那個新的理論之中 它們將會成爲那個新的理論 在某種特殊情況下的近似 正如我們前面說的 牛頓力學是相對論 在低速世界下的近似一樣 第二 新的理論必須滿足科學的基本原則 一個真正的科學理論 必須給出可以被驗證的預言 如果做不到這一點 不管那個故事講得多好 都是胡編亂造 第三 新的理論必須回答 爲什麼是這些定律的問題 它必須幫助我們深入瞭解 標準模型中的粒子和力的由來 最重要的是 它必須解釋宇宙中基本參數的由來 第四 新的宇宙學理論必須回答 爲什麼是這些初始條件這樣的問題 在同樣的自然規律下 和其他可能的宇宙相比 我們的宇宙可能因爲特殊的初始條件 而獲得了某一些特殊的性質 新的理論必須解釋 爲什麼是這些初始條件 而不是其他的初始條件 在尋找新理論的過程中 最難突破的其實是人們的固有認知 這一點其實在愛因斯坦的工作中 已經挑戰了所有人 牛頓的絕對空間指引着物體的運動 物體卻沒有辦法影響絕對的空間 在牛頓的世界裏 所謂絕對時空就是絕對不變的 而在愛因斯坦的廣義相對論中 物質和時空幾何的作用是互相的 是雙向的 物質的出現本身 也會改變時間的速率 這些固定背景結構 如同物理學的潛意識 潛移默化地改變了 我們對自然世界基本概念的思考 我們會說我們知道某個位置 這是因爲在潛意識中 我們認定某一個絕對參照系的存在 我們說的那個位置 就是相對於這個參照系的位置 在物理學前進的道路上 很多重要的步驟 就是基於識別這些固定背景結構 再把它們替換成動態因素的過程 如果我們堅持排除固定的背景結構 這就等於是在說 宇宙中的每一個個體都是動態的 都是和其他個體相互作用的 這個也就是新理論 必須堅持的原則 那麼聽到動態這個詞 你可能第一個想到的最重要的變量 那就是時間 沒錯 新的理論中 時間又會成爲一個非常重要的變量 如果我們想要解釋自然規律的由來 這些自然規律就不能一成不變 對此 哲學家查爾斯皮爾士 說出了一句你可能很難接受的話 他說 當嘗試去解釋 這些被我們發現的自然規律 它們到底爲什麼在這個宇宙中成立 唯一可能的答案是 科學界目前已經發現 宇宙中的基本粒子和相互作用 可以通過粒子物理學標準模型來描述 而標準模型中的很多參數 好像很隨意 它只是其他許許多多 有着不同參數的模型中的一個 到底該怎麼解釋 爲什麼是這個定律 而不是那一大堆可能的替代品呢 最好的解釋是 在其他一些場合 世界或許已經做出了不同的選擇 這些場合可能存在 也可能已經存在過了 想要得到讓人信服的解釋 我們就需要其他的宇宙 並且賦予這些宇宙不同的物理定律 換句話說 我們需要不止一次的大爆炸 每一次大爆炸發生的時候 就是自然規律被選擇的時候 當然這裏是爲了表述簡潔 我們假設自然規律在每一次大爆炸的時候 被選擇 我們假設從大爆炸到今天 自然規律一直保持不變 當然這也有可能是錯的 有可能自然規律本身也在一直髮生變化 但我們還是不要一下子把步子邁得太大 既然大爆炸是選擇自然規律的重大事件 那麼我們就需要回答 大爆炸到底是如何被安排的 想要解釋大爆炸的時候 自然規律是怎樣定下來的 我們只能藉助大爆炸之前的事件 想要解釋上上個大爆炸的時候 自然規律是怎麼定下來的 基於同樣的邏輯 我們還要藉助更早以前的事件 於是呢 我們就有了一連串的大爆炸 它們朝着過去的方向 無限的延伸 讓我們隨便選取其中的一個大爆炸 把它作爲起點 順着時間的方向 一次又一次的選擇自然規律 我們就會看到 在不斷接近這個宇宙的過程中 自然規律是不斷演化的 那麼對於大爆炸的時候 到底是什麼修改了物理定律 我們針對這一點 可能會構建許多不同的假說 不管是什麼假說 我們都需要通過那些 發生在大爆炸之前 同時還要與大爆炸有因果聯繫的事件 來解釋大爆炸的時候 自然規律到底是如何選定的 我們或許可以通過實驗 檢驗其中的一個場合 當然前提是宇宙能賞給我們 這樣一個場合去檢驗 這個場合就是 大爆炸之前的事件 可能會有一些殘餘的信息 躲過宇宙創生時的種種磨難 從而可能被我們發現 就像我們今天還可以看到 宇宙微波背景輻射一樣幸運 那如果你把自然規律排除在 這個演化的原則之外 認爲它不是和宇宙一起演化的 那也就等同於說 它們不可能被解釋 爲了讓自然規律可以被解釋 我們就需要把它們作爲世界的一部分 如同被愛因斯坦 納入變化的時空本身一樣 你想從牛頓到愛因斯坦 我們接受最大的挑戰就是 時間和空間本身 也是跟着宇宙中其他的事物 一起改變的 甚至它們就是會被 宇宙中其他的東西所改變 而今天我們談到內容提出的 更大的挑戰就是 自然規律本身 就如同時間和空間一樣 也在宇宙本身的演化過程中 也會被其他的東西所影響 這就讓自然規律本身 也會受制於隨時間的變化 也會受制於所謂的因果關係 事物隨時間的變化 事物之間的相互影響 這一場思想上的變革 是把世界關聯爲一個真正的整體 只有當自然規律參與到這場舞蹈之中 它們纔可以獲得解釋 好了 我們這場充滿哲學意味的討論 就到此爲止 希望你不會覺得科學家是吃飽了撐的 沒事幹 實際上這個事對他們來說 真的挺重要的 那麼你肯定想問 這樣的探索有沒有成果呢 或者至少 有沒有一些可以被驗證的假說呢 還確實有 今天的時間肯定是不夠了 後面我專門來和你聊一聊 這方面最前沿的探索