作者：（美）李·斯莫林（Lee Smolin）
出版社：浙江人民出版社
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时间重生试读：
前言
时间是什么这个问题看似简单，却又无比重要，在我们进一步探索宇宙奥秘的过程中，它首当其冲。从宇宙大爆炸到宇宙的未来，从量子物理学的困惑到力与粒子的大统一，物理学家与宇宙学家面前的一切难题，归根结底都是在问：时间是什么。
人们常常认为，科学的历史就是破除假象的历史：表面看似光滑的物质其实由一个个原子构成；看似无法再分割的原子其实由质子、中子及电子构成，其中的质子和中子则由更基本的粒子——夸克构成；从我们的角度看，似乎是太阳绕着地球转，而事实是地球绕着太阳转，当然，若深究下去，所有的运动都是相对的。
至于时间，它已渗透到我们日常生活的方方面面。当思考、感知或行动时，我们都会感到时间的存在。我们头脑中的世界，是一条贯穿于我们生命中每一个瞬间的河流，但是，物理学家和哲学家们不断告诫我们（我们中的许多人也深信）：时间不过是一个终极假象。
当我问学术圈外的朋友，他们觉得时间到底是什么时，我常常会得到这样的答案：时间的流逝其实是虚假的，所有真实的东西，比如真理、正义、科学规律，都存在于时间之外。“时间不过是假象”的观点在哲学界与宗教界非常普遍。千百年来，当试图逃避生活的艰辛、逃避命中注定的死亡时，人们往往寄希望于进入一个没有时间的世界，一个更加真实的世界。这给了人们些许宽慰。
一些杰出的思想家断言，时间并不真实，这其中包括古希腊最伟大的哲学家柏拉图和现代最伟大的物理学家爱因斯坦。两人都认为，真理不受时间影响，并且我们所感知的时间不过是发生在人类身上的一种巧合，而正是这一巧合将我们与真理相隔开来。两人都相信，为了触及世界的真实与真理，时间的假象必须被破除。
过去，我曾笃信时间并不真实。坦白地说，年轻时我之所以选择研究物理，正是由于我厌恶这个被时间所囚禁的人类世界，它在我眼中丑陋而荒芜。我渴望生活于另一个世界，那个世界由纯粹而永恒的真理构成。后来的漫漫人生让我发现了生而为人的美好，超脱时间、逃离世界的想法渐渐被我淡忘。
更为重要的是，我不再相信时间并非真实之说。事实上，我选择站在这个观点的对立面：时间不但是真实的，而且是最为真实的。它的真实性如此贴近大自然的核心，我们所知、所感的一切事物与概念都无出其右。我立场的改变基于科学的发展，特别是物理学与宇宙学的最新发展。在量子力学的诠释之中，在量子力学与时空、引力及宇宙学的终极大统一之中，我开始相信，时间将发挥至关重要的作用。最为关键的是，为了理解当前获得的宇宙学观测数据，我们必须以全新的视角来接受时间的真实性。这，就是我所谓的时间重生。
本书致力于为时间的真实性提供科学上的论证。如果你相信时间仅仅是一种假象，我希望本书能改变你的这一看法；如果你已经相信时间的真实性，我仍希望它能够带给你支持这一观点的更好论证。
这是一本适合所有人阅读的书，因为所有人的世界观都会受制于自己的时间观。即使你从来没有思考过时间的意义，种种与时间相关的形而上学的理念也仍在影响着你的思维方式，以及你表达思想的语言。
当我们接受时间的真实性后，我们看待世间万物的方式也将被这一革命性的观点所改变。特别需要指出的是，我们眼中的未来也将获得全新的意义，它将生动地凸显出人类即将面临的种种危险与机遇。
本书中的一部分内容讲述了我自己重新发现时间本质时所走过的旅途。
最开始时，触发我思考的并非科学，而是与我小儿子的对话。每天晚上，当我把他抱上床后，我都会和他聊一会儿。一天晚上，在我给他讲故事时，他忽然问我：“爸爸，当你和我一样大的时候，你是不是就已经想好了我的名字？”那一刻，这个孩子似乎忽然意识到，有一些时间在他诞生之前就已存在。他试图将自己还不是很长的人生经历与漫漫的时间长河相联系。
每一段旅程都可以使人受益良多。我的时间之旅告诉我，时间是真实的，这一简简单单的陈述背后蕴藏着革命性的能量。在我学术生涯的开端，我总是试图寻找永恒不变的公式。可是现在我相信，宇宙最深层次的奥秘在于，宇宙如何一步一步地展开每一个瞬间，正是这些相连的瞬间，组成了宇宙的时间。永恒，不过是虚无的神话
当思考时间时，我们面临着一个藏匿着的悖论：我们觉得自己生活在时间之中，但我们又常常认为，这个世界的种种美好，以及你我身上那些美好的东西，却早已超越了时间。
我们相信，真实的东西之所以真实，是因为它的真实性不会转瞬即逝，无论过去，还是将来，真实的东西永远真实。
我们相信，道德之所以绝对，是因为无论何时、何地，道德永远普适。
我们相信，那些真正弥足珍贵的东西永远存在于时间之外。
我们渴求天长地久的爱情；我们口中的“真理”和“正义”不会因为时间的流逝而改变；我们敬仰与欣赏的一切事物，例如数学定律、自然法则，也总是存在于时间之外。我们行动于时间之中，却常常用超越时间的标准来对我们的行为作出评判。
这种时间悖论致使我们最珍视的那些东西疏离了我们的生活。这种疏离使我们心怀的种种美好走向破灭。就科学而言，科学实验、对实验结果的分析以及对大自然的观测都受制于时间，但是，我们总是假想，通过这些实验与观测，我们可以发现一些证据，用以证实独立于时间的自然规律。这一悖论也将改变我们作为个体、家庭成员以及公民的行事方式。这是因为，我们如何理解时间决定了我们如何思考未来。
在本书中，我希望通过一种全新的方式解决以上悖论。对我而言，时间以及时间的流逝是真实且根本的，而对永恒真理、永恒世界的信仰与向往，不过是虚无的神话。
接受时间的真实性意味着接受一个新的现实观：构成现实的元素只能是属于每一个瞬间的真实。这一观点相当激进。它否认了一切自认为永恒的存在与真理，无论它们关乎科学、数学、道德或是国家体制。所有的存在与真理必须融入时间，重新构思以表现它们有限的真实性。
接受时间的真实性也意味着承认一个残酷的事实：我们描述宇宙运行的基本理论并不完备。接下来的内容，当我强调时间的真实性时，其实是以下面的假设为基础的：
●宇宙中的所有真实都是关于某一个瞬间的真实。这些瞬间的串联，构成了时间。
●过去曾经是真实的，但已经不再真实。这并不影响我们对于过去的分析与诠释，因为我们可以于当下寻获过去留下的痕迹。
●未来尚不存在，因而一切皆有可能。我们可以理性地作出一些推断，却不可能完全预测未来。未来可以超越一切基于经验所作出的预言，创造出全新的现象。
●没有什么可以超脱于时间之外，自然规律也不例外。自然规律并非亘古不变，与万事万物一样，它们仅仅关乎现在，随时间的流逝而改变。
在本书的最后，我们会发现以上假设为物理学的发展指明了一条新的途径。在我眼中，这一途径可以使理论物理学和宇宙学摆脱当下陷入的泥沼。这些假设也会影响我们对生活的理解和应对人类所面临挑战的方式。时间重生，迎接全新的可能性
无论是在科学领域还是非科学领域，时间的真实性似乎都影响深远。为了理解这一点，我会比较两种思维方式，一种是紧随时间式思维（thinking in time），另一种则是跳出时间式思维（thinking outside time）。真理超脱于时间甚至是超脱于宇宙的观点，自古以来长盛不衰。巴西哲学家罗伯托·昂格尔（Roberto M.Unger）称之为“长青哲学”（the perennial philosophy）。这一观点也是柏拉图哲学的精髓。在柏拉图所著对话录《美诺篇》（Meno）中，一则关于奴隶男孩与方块几何学的寓言便是一例阐释。在这则寓言中，苏格拉底指出，所有的发现都不过是对前世的回忆。
当跳出时间思考时，我们总会设想，那些我们沉思良久的问题的答案，就存在于一个由永恒真理所组成的世界中。这些问题有时是如何成为一个好爸爸或好妈妈，有时是如何成为一个好妻子或好丈夫，有时是如何成为一名好公民，有时是如何让社会以一种最佳的组织方式运行。我们总是相信，世上存在着一些始终如一的真理，等待着我们去发现。
当科学家们试图发明新的理论去解释新的现象，或是发明新的数学结构去表达新的理论时，他们的思维总是紧随于时间。而依照跳出时间式思维的观点，在我们发明这些新的理论或结构之前，它们早已存在。反之，如果我们遵循紧随时间式思维，以上假设就显得没有必要。
在人们日常的思考和行动中，跳出时间式思维和紧随时间式思维之间的反差非常明显。当遇到技术层面或社会层面的问题时，我们的思维常常会跳出时间，我们会相信世上早已存在一个绝对的真理体系，这一体系确定了各种问题的解决方案。如果有人相信正确的经济学理论、政治学理论早已被几个世纪前的先哲所确立，那么他的思维就跳出了时间。反之，如果我们认为政治学的目的在于解决社会中不断浮现的新问题，那么我们的思维就是紧随时间的。紧随时间式思维也意味着，我们相信人类有能力不断对观念、战略或是社会组织结构进行创新，这些创新推动了科技、社会和自然科学不断前进。
如果我们毫无保留地接受各种社会组织的结构、习性及官僚体制，仿佛它们天生就该如此，那么我们便陷入了跳出时间式思维的陷阱；当我们意识到每一个社会组织的特征都由它的历史所决定，此时我们又重新开始紧随时间。后者使我们意识到，每一个社会组织的每一个特征都是有商榷余地的，这些特征应当被不断进行的创新所改进。
如果我们相信物理学的使命在于发现永远成立的数学公式，并以此描述宇宙的各个层面，那么这就意味着关于宇宙的真理存在于宇宙之外。对于这个想法，我们已经习以为常，以至于我们意识不到它所隐藏的荒谬之处：如果所谓宇宙是包罗万象的集合，那又怎么会有存在于宇宙之外、却可以描述宇宙运行真理的存在？而另一方面，假设我们承认时间的真实性，那么再也没有数学公式可以完美地描述这个世界的方方面面。这是因为，真实的世界始终关乎某一个瞬间，而数学公式并不具备这一特点。
达尔文的生物进化论是紧随时间式思维的典范。进化论的核心指出，自然过程可以随时间演化而产生出全新的结构，当这些新结构依赖于新理论时，进化论便演生出了新的自然法则。性选择便是一个例子。在有性别差异之前，这一法则并不存在。进化论的动力学基础并不需要囊括所有的物种、基因序列、蛋白质结构、生物学规律等庞大的数据空间。正如理论生物学家斯图亚特·考夫曼（Stuart A.Kauffman）所指出的那样，进化动力学（evolutionary dynamics）应当被理解为，生物圈在每一个瞬间对下一个瞬间的探索，此即“相邻可能”（adjacent possible）。这种相邻可能同样适用于解释科技、经济以及社会的演化与发展。
紧随时间式思维并不是相对主义（relativism），它是一种关系主义（rela-tionalism）。关系主义认为，对于事物最真实的描述在于指明事物与其所在系统中的其他事物之间的联系。无论事物是来自进化，还是来自人类的想象，一旦被创造，它们所代表的真理就既是客观的，又是依赖于时间的。
就个人而言，坦然接受人生的跌宕起伏，将其视为生命必要的代价，这是紧随时间式思维。拒绝不确定性，反抗不安全感，绝不愿冒丝毫风险，幻想可以消除人生道路上的所有危险，这是跳出时间式思维。在机遇与危险夹缝中的生活，才是人类的体验。
在这个充满不确定性的世界中，我们竭尽所能地努力生存，守护我们的所爱，及时行乐于这样的人生；我们制订种种计划，却总会遭遇预料之外的危险与机遇。佛经中有火宅喻，房子已经起火，身处其中的我们却浑然不知。每时每刻，生活中的危险都可能不期而至，这在史前社会非常普遍。现代社会，各种社会组织的建立使得危险不断减少。然而，从数量巨大的潜在危险中明智地选择出真正值得担心的危险，成了我们的新挑战。同时，生活中的机遇也在不断向我们袭来，下一步到底应该做什么，这又是一个关于选择的挑战。我们总是想选择值得全身心投入的机遇，但我们已有的知识总是不足以推断出选择的可能结果。
我们可以做得更好吗？我们可以克服生活的变化无常，抵达一个充满确定性的世界吗？在那样的世界中，我们并不祈求全知全能，但我们希望看清选择所带来的一切结果。换句话说，我们可以获得一个理性且没有意外的人生吗？如果时间仅仅是一个假象，我们或许可以获得这样的生活。在那样的世界中，时间可有可无，现有的知识与未来的知识没有本质上的差别。预言未来只需要多做几步计算。总会有一些公式与参数能够帮助我们推算出我们希望知道的一切。
如果时间是真实的，仅凭现有的知识就无法断定未来，就没有任何方法能够帮助我们摆脱这一现实。很大程度上，我们对自身行动的结果一无所知，也没有任何方法可以将我们从这些无知所造成的意外中救赎。世上充斥着意外。无论我们储备了多少知识来预测未来，大自然都可以轻松地将我们带入预料之外。另一方面，在这样的世界中，新鲜事物是真实的。借助想象力，我们可以进行创新，创新的结果将超越基于现有知识所进行的一切计算。此时，时间是否真实变得与我们每个人的生活息息相关。人类自视为幸福的追求者、未知宇宙的探索者，以上问题的答案将改变我们的这些看法。在本书最后，我将回到这一主题。届时，我会探讨引入时间的真实性，看它是否能够帮助我们解决气候变化、金融危机等人类面临的种种挑战。让我们一起穿越时间之旅
在转入本书的正文部分之前，我还有一些建议。
我希望没有数学或者物理学背景的读者也能了解本书的观点，因此，本书不涉及公式，仅包含理解观点所需要的必要知识。我会尽量用最简单明了的例子阐明最为关键的问题。当我们转入更加复杂的主题时，如果读者感到困惑，我建议读者略读或跳过相关章节，直接进入相对容易理解的部分。希望了解更多背景知识的读者可以扫描右侧二维码，获得更多相关资料；读者也可以查阅本书的参考文献部分，它们包含了本书引用的相关资料、一些有用的观点和评论，以及一些有趣的延伸讨论。
我的这段时间之旅，已经行进了20多年。这段旅程起源于我认识到，对自然规律的完全理解势必要与自然规律的演化相联系。在这个旅途中，我经历了与相对论、量子力学诠释以及量子引力的几番“苦战”。最终，这段旅程将我引至本书所呈现的观点。与同事、朋友的合作和对话使得我在这条崎岖道路上得以前进。相关部分中，我将引用他们的研究结果与观点。在这些交流与互动中，与罗伯托·昂格尔的合作最具挑战性，也最使我受益匪浅。在此期间，我们构思了[1]时间重生的主要论点，以及由此演生的许多重要观点。
读者们需要注意，本书并没有讨论时间、量子力学和宇宙学等主题的所有方面，而且，本书所触及的主题已经被大量有关物理学、宇宙学和哲学的著述所涵盖。我并不试图将本书装扮成一本学术著作，对于刚刚涉猎这一领域的读者，我只会给他们指明唯一一条穿越迷宫[2]的道路，并仅会强调这一道路所关注的论点。这也就是说，举个例子，本书不会分析哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）的时空观，尽管有关康德时空观的分析早已汗牛充栋。同样，本书也不会介绍当代哲学家的时空观。在此，我希望，我所有博学的朋友们能够原谅我的这些遗漏。对这些观点感兴趣的读者可以通过网络或者图书馆，查阅更多相关资料。扫码关注“湛庐教育”，回复“时间重生”，观看李·斯莫林教授的TED演讲视频。引言美妙的意外，皆源于时间的惊涛骇浪
在科学中，时间是一种假象的观点强大且难以撼动。反过来看，接受时间的真实性势必会引发惊涛骇浪。
作为物理学家，我们反对时间真实性的核心理由往往基于我们对物理定律的理解。根据物理学的主流观点，宇宙中所发生的一切皆有规律可循。这些规律分毫不差地决定了如何从现在演化出未来——这些规律是绝对的。关于现在的初始条件一旦给出，未来如何演化就会被唯一确定，不留任何自由度与不确定性。
在汤姆·斯托帕德（Tom Stoppard）的剧作《阿卡狄亚》（Arca-dia）中，早熟的女主角托马西娜（Thomasina）对她的私塾老师这样说道：“倘若你能让每一个原子停下来，记下它们的位置与行进方向，理解它们的运动，那么只要你的数学足够好，就可以写下一个公式，它能够成功地预言所有的未来。虽然现实中没人可以聪明到做到这一点，但那个公式一定存在。因为理论上，我们可以做到。”
作为一位理论物理学家，我曾经认为自己的工作就是寻找这样的全能公式。但现在我相信，这项使命与其说关乎科学，倒不如说关乎玄学。
如果斯托帕德笔下的托马西娜生活在现代社会，她一定会说，宇宙就像是一台计算机。而物理定律正是计算机的程序。你可以将宇宙中所有基本粒子的位置信息作为初始变量，输入这台巨型计算机。经过一段时间的计算，它会告诉你，未来的某一时刻，这些基本粒子会出现在何处。根据这种世界观，世间的一切就是依照永恒的自然规律而进行的一次又一次的排列组合。因为这些规律的存在，过去早已决定现在，现在早已决定未来。[1]
这一观点在很多层面上削弱了时间的存在感。那样的世界不容许意外，也不容许新鲜事物，因为那里发生的一切仅仅是原子的重新排列。而原子自身的性质是永恒的，控制原子运动的自然规律也是永恒的；两者都不会随时间而改变。凭借现在的原子结构，我们可以预测未来世界的方方面面。也就是说，时间的推移等同于一种计算，未来是现在的一种逻辑推理。
爱因斯坦的相对论更进一步指出，时间对于描述这个世界的基本理论来说，无关紧要（我将在第6章中对此详细讨论）。相对论强有力地证明，这个世界的全部历史是一个超脱时间的整体；抛开人们的日常生活，区分现在、过去和未来，毫无意义。时间不过是一个类似空间的维度。我们感觉中的世界似乎稍纵即逝，可惜这仅仅是一种错觉：现实不会随时间的流逝而发生变化。时间流逝不是错觉
对于任何相信自由意志论或人类能动性的人来说，上述说法令人震惊。但是，我不会基于这些哲学观点来反驳相对论；我对时间真实性的探讨纯粹基于科学。上述未来决定论其实是错误的，我在本书中的工作就是对此进行科学论证。
在本书第一幕中我提到，为何从科学上看，我们似乎更应该相信时间是一种错觉；在第二幕，我会推翻这些时间错觉论的观点，并展示承认时间真实性对于科学来说是何等必要，它有助于克服基础物理学和宇宙学当下所面对的种种危机。
物理学家使用时间这一概念的历史源远流长。为了梳理第一幕的1论证，我将追溯这段历史。从亚里士多德、托勒密，到伽利略、牛顿、爱因斯坦，再到当代的量子宇宙学家，我将展示，随着物理学的发展，时间的真实性是如何被一步步削弱的。这种叙事方式也方便我一步步地引入普通读者阅读本书所需了解的背景知识。事实上，我将通过自由落体、行星运动等常见例子介绍这些背景知识的关键点。第二幕的故事更为前沿。因为正是基于科学的最新发展，我才会论证为何时间的真实性必须被视为科学的核心。
我的论证起源于我发现的一个简单不过的现象：自牛顿时代开始，任何成功的科学理论都使用了牛顿发明的一个理论框架。在这一框架中，大自然完全由一些粒子组成。这些粒子的性质，比如质量和电荷，不随时间流逝而改变；决定它们运动和相互作用的自然规律也不随时间改变。这一框架非常适合描述宇宙的局部。但当我们将其应用到整个宇宙时，它会马上分崩离析。
大部分物理学理论都着眼于宇宙的局部。这些局部可以是一台收音机，一只正在飞的皮球，一个生物细胞，我们所在的地球，乃至一个星系。当描述宇宙的这些局部时，我们会将自己以及我们的观测工具排除在局部系统之外。在挑选和准备局部系统时，我们常常不会考虑，我们自身是否参与了系统；也不去考虑建立这些局部系统所依赖的参照系。最为重要的是，我们也不会考虑该如何设置度量系统变化的时钟，而这恰恰关乎时间的本质。
将物理学延伸到宇宙学的尝试，带给我们新挑战，要求我们有新思路。一个宇宙学理论必须包罗万象，毫无遗漏。这也就是说，一个真正完备的宇宙学理论必须囊括作为观测者的我们，以及我们的观测工具。当研究宇宙时，我们不得不面对一个全新的挑战：当我们研究的系统是整个宇宙时，我们无法置身于这个系统之外。
此外，宇宙学还缺乏科学方法论的两条重要原则。一条原则是，实验必须具有可重复性，这样才能保证实验结果的正确。但是，我们无法要求宇宙做到这一点，因为宇宙只发生一次。第二条原则是，我们不能给予宇宙不同的初始状态，用以观察宇宙可能的演变。以上两点是宇宙学发展中所遇到的非常现实的障碍，它们使得研究宇宙整体的科研工作难上加难。
不过，这并不会打消我们通过物理学来研究宇宙的雄心壮志。我们头脑中的第一反应可能是，升级那些关于宇宙局部理论的尺度，再将其应用于整个宇宙。因为在描述宇宙局部时，这些理论非常富有成效。我将在第8章和第9章中说明，这样做行不通。独立于时间的规律作用于独立于时间的粒子，这套牛顿范式框架中的图景并不适用于描述整个宇宙。
颇具讽刺意味的是，这些局部理论成功的原因恰恰是它们无法描述整个宇宙的命门。我将对此给出详细的论证。
我知道，这样的说法与我很多同事的理想与实践背道而驰。但我仍希望，读者可以密切留意我在本书第二幕中给出的论证。届时，我将同时给出具体的例子与一般性的论证。我会说明，在试图将局部标准理论升级为宇宙学理论的过程中，我们将进退维谷、自相矛盾，遭遇无法回答的问题。其中之一就是如何选择早期宇宙的初始条件，以及如何选择早期宇宙演化所遵循的规律。由局部升级而来的标准理论往往对此无能为力。
许多当代宇宙学文献记录了这个时代的智者同这些艰难险阻的搏斗过程，其中一个比较流行的想法是，我们的宇宙仅仅是多重宇宙中的一个。我对这一观点的流行表示理解，因为这一想法基于一个很容易让人陷入其中的方法论上的错误：既然我们手中的理论只适用于局部，那么，只有当我们的宇宙是一个更大系统的局部时，现有理论才可能适用于整个宇宙。为此，我们虚构了一个充斥着其他宇宙的大环境。多重宇宙论不可能引出任何真正的科学进步，因为其他宇宙与我们的宇宙之间没有任何因果联系，我们无法证实或证伪关于它们的任[2]何假设。
多重宇宙论并非宇宙学发展的唯一途径，写作本书的目的之一就是要表明这一点。我们要和适用于宇宙局部的标准理论一刀两断，我们要从零开始，寻找一个适用于整个宇宙的新理论。这个新理论，不会产生各种混乱和矛盾，可以回答旧理论无法回答的问题，可以为宇宙学观测提供真正有物理学意义的预测。
虽然我还没有找到这样的理论，但我可以提供一套搜索新理论的指导原则，这套原则我会在第10章中详述。在随后的章节中，我将说明这些原则将如何启发新的宇宙学模型与假说，并最终指明一条通向新宇宙学理论的道路。这其中的核心原则是：时间必须是真实的，物理定律必须随时间而演化。
自然规律不断演化的观点并不是什么新想法，宇宙学研究势必融[3]合这一观点也不奇怪。美国哲学家查尔斯·皮尔士（Charles S.Peirce）在1891年就这样写道：
假定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，这种假定很难说是合理的。这些规律完全可以以不合人类逻辑、让人难以捉摸的形式存在。一致性正是这样一个值得我们解释的规律……规律比之其他事物，更需要我们去解释。
现在，我们仅有一个可能的答案可以用来回答自然规律为何如[4]此、为何存在一致性，这便是假设它们是演化的结果。
当代哲学家罗伯托·昂格尔声称：
根据宇宙现在的性质，你可以发掘出宇宙诞生之初一定会具有的性质。但是，你不能证明任何宇宙都必须具备这些性质。它们并不唯一……之前或之后的宇宙可能遵循完全不同的自然规律……描述出自然规律并不等同于能描述或解释所有可能宇宙中的所有历史。定律式[5]的解释与历史序列的旁白之间，仅仅存在相对的区别。
保罗·狄拉克（Paul Dirac）与爱因斯坦、尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）一同被列为20世纪最具影响力的物理学家。狄拉克曾这样推测：“宇宙之初的自然规律恐怕和现今的自然规律大相径庭。因此，我们需要承认，自然规律不会在所有的时空中保持唯一，它们会随时[6]代的更迭而逐步演化”。美国最伟大的物理学家约翰·惠勒（John A.Wheeler）也曾想象过自然规律的演化。他提出，宇宙大爆炸属于一个更大的事件序列，在这个事件序列中，物理学规律得到了不断再[7]加工。他还写道：“世间没有规律——除此规律以外。”与导师一样，惠勒的学生理查德·费曼（Richard Feynman）也是美国一位伟大的物理学家。在一次采访中，费曼陷入了沉思：“好像只有物理学中不存在进化论式的问题。我们会说，‘看，这些就是自然规律’……可是它们如何随时间而来？……也许最后我们会发现，这些规律在不同时间并不完全一样，那么我们总算有了一个和历史相关、进化论式的[8]问题。”
在我1997年出版的著作《宇宙生命》（The Life of the Cosmos）[9]中，我仿照生物进化论，提出了一套自然规律演化理论。在我的想象中，宇宙可以通过在黑洞内部形成婴儿宇宙来实现繁殖。同时我假定，每当这样的繁殖发生时，宇宙中的物理定律都将发生细微的变化。在这一理论中，物理定律相当于生物学中的基因；宇宙可被视作其形成之时物理定律的表达，正如生命可被视作其基因的表达。如同基因一样，在代代相传中，物理定律可以发生随机突变。那时，我受到了弦论最新成果的启发。我认为，对大统一理论的探索不会让我们发现唯一的万物至理，我们很有可能发现一片包含所有可能物理定律的广阔空间。我称这一空间为“理论景观”（the landscape of theories），这一术语借鉴于群体遗传学家研究的焦点“适应度景观”（fitness landscapes）。这一理论是第11章的主题，我在此处不再赘述。我只想再强调一点，自诞生之日起，上述宇宙自然选择理论经历了数次考验，依然没有被证伪。
过去10年间，许多弦论学家接受了理论景观的概念。也因此，宇宙如何选择自然规律这个问题变得非常迫切。我认为这一问题仅仅可能在一个新宇宙学框架内解决，在这一框架中，时间是真实的，物理定律也会随时间演化。
如此一来，掌管宇宙的自然规律将不会来自宇宙之外。我们再也不需要求助于宇宙之外的神或绝对的神，期盼他们在自然存在之前就制定好自然需要遵循的规律。同样，自然规律不会存在于时间之外，它不会在宇宙诞生之前便一直存在并默默等待。自然规律将从宇宙内部产生，并随着它们所描述的宇宙的演化而演化。更进一步地说，宇宙的演化将衍生出新的现象，这些现象的规律可以引导出新的物理学规律。这一过程和生物学中新规律的产生类似。
或许有人认为，对永恒自然规律的否定是一种科学精神的倒退；但我认为，这种科学精神仅仅是一种形而上学的负担，束缚了我们对真理的追求。在后文中，我将举例说明自然规律演化理论是如何产生一个更为科学的宇宙学的。这里，我所谓的“科学”指的是产生出更多可被实验观测验证的预言。每个当下，都是真实世界的一个印记
据我所知，微积分的发明人、牛顿的竞争对手，戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried W.Leibniz）是欧洲科学革命以后，第一位认真思考如何构建一个适用于整个宇宙的物理理论的科学家。他在诸多方面贡献卓越，比如预见了现代逻辑学、开发了二进制数字系统，世人一直赞颂他为有史以来最聪明的人。为了构造宇宙学理论，莱布尼茨制定了一套被称作“充足理由律”（principle of sufficient reason）的指导原则。这条规律认为，在构建宇宙的过程中，每一个显而易见的选择背后必须存在一个合理的理由；每一个形如“为什么宇宙会是X而不是Y”的问题，必然存在答案。依照这个原则，即使相信神创造了这个世界，那他在设计蓝图时也没有完全自由地选择。从创始至今，莱布尼茨的原则对物理学的发展产生了深远的影响。正如我们将要看到的，作为制定宇宙理论的指导原则，它依然可靠。
在莱布尼茨的眼中，世间万物并不是单纯地罗列在空间之中，而是浸没于某种相对关系网络之中，正是这些相对关系网络定义了何为空间，而非空间决定了相对关系。如今，宇宙是个大网络的想法，在现代物理学、生物学和计算机科学中已成为潮流。
在这样一个相对关系世界中（我们指的是相对关系先于空间而存在的世界），没有空无一物的空间。牛顿的空间观于此截然相反，因为他所理解的空间是绝对的。绝对空间意味着所有的原子都可以通过它们在空间中的位置而定义，而空间永远不会因原子的运动所改变。在相对关系世界中，这种不对等关系并不存在，万事万物都被它们的相对关系所定义。个体会存在，部分自治的个体也可能存在，但相对关系网络将决定它们存在的可能性。个人通过与网络的连结，接触并感知其他个体。在这一过程中，网络保持着动态并不断发展。
在第3章中我将解释，莱布尼茨的伟大原则是如何否定绝对时间的存在，那种不问世间变化、一直盲目向前的时间。时间必须是变化的结果；如果世界一成不变，就不可能存在时间。哲学家说时间是相对的，它是某些相对关系的一个方面，例如，支配事物变化的因果关系。同样，空间也是相对的。更进一步地说，自然事物的每一个属性，[10]必然是它与其他事物动态关系的某种反映。
莱布尼茨的原则与牛顿力学的基本思路相矛盾。完全理解这两种世界观颇费时间，直至爱因斯坦的出现才得以完成。爱因斯坦继承了莱布尼茨的精神，从莱布尼茨的原则出发，推翻了牛顿力学，并以广义相对论取代了牛顿力学。这一关于时间、空间和引力的理论阐明并极大地拓展了莱布尼茨的相对时间观和空间观。同时，莱布尼茨的原则通过另一种方式，影响了与相对论几乎同时进行的量子革命。因此，我将20世纪物理学革命称作关系革命（the relational revolution）。
目前我们所面临的物理学大统一问题，具体来说，是如何将量子力学与相对论放进同一个理论框架的问题，归根结底，是要求我们完成这场物理学的关系革命。本书的主旨在于说明，要完成关系革命，我们必须接受时间的真实性以及物理定律随时间演化的前提。
在其他科学领域，关系革命已经在紧锣密鼓地展开。生物学中的达尔文进化论是其中的急先锋。进化论中，物种的定义取决于该物种与周围生物的相对关系，基因的功能取决于该基因在基因网络中的功能。这两点都是相对关系的体现。我们很快便认识到，生物学的本质是信息学，而信息本身恰恰与关系有关：信息依赖于位处信息通道两端的发送者和接收者的相对关系。
在社会学领域，自由主义者宣称“世界是由自主个体组成的”。哲学家约翰·洛克（John Locke）认为这种论断和他朋友牛顿的物理学观点类似，正受到一种新观点的挑战。这种新的社会观点认为，社会由个体组成，而个体仅有部分自主性；只有在社会关系中，个体的生命才是有意义的。让我们沉迷的信息革命，通过社交网络体现了关系的概念。作为社会的一份子，我们把自己视作社交网络的一个节点，节点的连接定义了我们的身份。今天，从女权主义政治哲学家到企业管理大师，人人都在谈论社交网络。这一概念在社会学理论中广泛出现。有多少Facebook用户会意识到，他们每一天的社交生活起源于相对关系这个强大的科学观念呢？
关系革命已经持续多年。在发展的同时，也陷入了危机，在一些方面，它停滞不前。在任何关系革命所陷入的危机之中，我们总能发现以下三个被人们热议的问题：什么是个体？如何演生新的系统与实体？如何才能有效地将宇宙理解为一个整体？
解答这些问题的关键在于，个体、系统，甚至整个宇宙并非简单的事物，它们都在随时间而发展的过程中产生。我们思维的盲点在于，没有将这些事物视作随时间发展的过程。看不到这一点，我们便无法回答以上问题。接下来，我会论证，如果关系革命想要取得成功，它必须将时间以及每一个当下，视作真实世界的一个基本方面。
在旧有的思维中，个体是组成系统的最小单元。如果你想了解一个系统的运作原理，你会将它拆解，研究它的局部到底如何运作。但是，对于那些最基本的单元，我们又该如何学习它们的性质呢？它们不可能再被分割，因此还原论（上述方法论的名称）再也不能帮助我们。原子论在此也无济于事，事实上，原子论本身也由于同样的原因停滞不前。这正是方兴未艾的关系革命可以把握也必须把握的机遇。我们需要在基本粒子的关系网络之中，寻求基本粒子性质的解释。
这一点已经包含在我们对大统一理论所作出的种种努力之中。粒子物理学标准模型是我们迄今为止所构建的最好的粒子物理学理论。在标准模型中，诸如电子质量之类的属性，由电子所参与的相互作用来动态地决定。粒子的基本属性之一在于它的质量，质量决定了改变粒子运动的难易程度。在标准模型中，所有粒子的质量起源于它们与其他粒子相互作用。其中，它们与希格斯玻色子的相互作用是决定性因素。从这种意义上来说，没有粒子是“基本”的；在一定程度上，所有看似粒子的行为，都是相互作用网络演生的结果。
在相对关系主导的世界中，“演生”（emergence）是一个重要的概念。当我们将一个物体拆分成部件后，物体某个原有属性变得不再有意义，那么这个原有属性即为演生属性。岩石的坚硬、溪水的流动，这些都是物体的演生属性——因为，构成岩石的原子并不坚硬，构成溪水的原子也不湿润。物体的演生属性往往是一种近似描述，因为它总是涉及某种平均，抑或是某种高度概括、舍弃许多细节的描述。
随着科学的进步，我们发现一些曾经被认为是自然基本属性的性质，其实是演生的、近似的：我们曾经认为，固态、液态和气态是物体的基本状态，现在我们知道这些不过是演生属性，它们只是代表了原子的不同排列方式。许多我们曾经相信的物理学基本定律，现在看来也是演生的、近似的：温度不过是原子随机运动的平均能量，所以热力学定律中，温度是一个演生的、近似的概念。
我甚至会这样想，一切现在我们认为基本的事物，到头来都会被证明是某种演生和近似，比如引力，比如牛顿以及爱因斯坦的引力定律，比如量子力学中的定理，再比如整个空间本身。我们所追求的基本物理理论不会去描述物体在空间中的运动，它不会将引力以及电磁力视为基本相互作用；它也不会是量子力学。空间、相互作用、量子力学，这些事物都是伴随着宇宙膨胀而演生出来的某种近似。
如果空间是演生的，那么时间是不是也是演生的呢？当我们深入大自然更为基本的层面时，时间是不是会消失呢？20世纪的物理学发展使得我的同事们倾向于认同这样一种观点：时间从某种更为基本的自然描述中演生。在那个更为基本的世界之中，时间并不存在。
我执着地相信，他们搞错了。最终，时间，将被证明是我们日常生活中唯一基本而非演生的事物。生活中，我们会感知到瞬间，会感知到这些瞬间属于一条流淌着的时间长河，这些感知都不是假象。这也正是指引我们通往终极现实的最佳线索。00:01总是在下落的万物
在开始每一段发现之旅前，不妨让我们倾听一下古希腊哲学家赫拉克利特（Heraclitus）的忠告。虽然赫拉克利特对于波澜壮阔的科学史贡献不多，可他却道出了如下箴言：“自然爱隐藏。”是的，自然喜欢“躲躲藏藏”。直到20世纪，几乎所有的基本粒子和相互作用都被自然隐藏于原子之中。虽然一些与赫拉克利特同时期的哲学家提出了原子说，但他们并不知道原子是否真的存在。并且，他们认为原子不可分割，这是一个错误的观点。事实上，直至1905年爱因斯坦发表相关论文，科学界才就物质由原子构成达成了一致。但仅仅6年之后，不可分割的原子却分崩离析。原子的内部结构开始显露，一个隐藏的世界逐步浮现。
对于这样一个内敛的自然来说，引力是一个十足的例外。在所有的基本相互作用中，唯有对引力的观测无须借助任何专业设备。摆脱引力，是人类史上最初的奋斗和失败，而引力也成了第一个被人类命名的自然现象。
不过，直至科学的黎明到来之时，引力背后的关键信息一直隐藏在人类的视线之外。即使今天，我们对于引力依然知之甚少。在接下来的章节中我们将看到，一个未知的引力奥秘，即它同时间的关系。所以，就让我们从引力出发，开始发现时间之旅。我们为什么不能飞“爸爸，我为什么不能飞？”我和儿子正坐在三层楼的阳台上，俯瞰屋后的花园。“我会像小鸟一样，跳起来然后飞啊飞，这样就可以到在花园里的妈妈那里去了。”“小鸟”是儿子学会的第一个词汇。当看到托儿所窗外不停飞舞的麻雀时，他大声地喊出“小鸟”。可现在，我却要面对一个为人父母常常面对的难题：我们希望孩子们能够长大成人，自由翱翔；可是我们又担心这个变幻莫测的世界会危及他们的安全。
于是，我严厉训斥他，人不能飞，所以千万不要去试。他哭了。为了分散他的注意力，我趁机和他谈起了引力。引力牢牢地把我们束缚在大地之上，它是我们会从空中掉下来的原因，也是万物下落的原因。
不出我所料，儿子脱口而出的下一词是“为什么”。就连三岁的孩子都知道，命名一个现象并不等于完成了对那个现象的解释。
那么就让我们来玩一个游戏，看看东西是“如何”下落的。为了检验物体是不是在以相同的方式下落，我们开始向花园扔各式各样的玩具。很快，我发现自己在思考一个三岁孩子怎样都无法想到的问题。当我们扔出一个物体时，物体会在空中划出一条曲线，逐渐离我们远去并逐渐下落。这到底是怎样的一条曲线？
三岁孩子想不到这个问题并不令人奇怪。但是，自人类文明诞生后的数千年内，似乎没有人想过这个问题。柏拉图、亚里士多德，还有许多其他古代大哲学家，似乎都止步于观察他们周遭的物体会下落，而没有深究物体下落时到底会走过怎样的轨迹。
17世纪早期，意大利科学家伽利略第一个开始研究物体的下落轨迹，其研究结果呈现于其著作《关于两门新科学的对话》（Dialogue Concerning Two New Sciences）中。成书之时，伽利略已经年过七旬，却仍被宗教裁判所软禁。在那本书中，伽利略写道：“物体总是沿着抛物线下落。”
伽利略并未止步于发现物体下落的轨迹，他还解释了其背后的原因。物体沿抛物线下落的原因与伽利略的另一个原创性发现有着紧密联系，即所有物体均以同样的加速度下落，不管是被扔出去的，还是自由落体。
一切物体均沿抛物线的轨迹下落，伽利略观察到的这一事实无疑是人类科学史上最伟大的发现之一。下落是一种常见现象，物体下落时所遵循的轨迹是普遍的。这些事实无关于物体如何被制造、被组装、有何种功能，也无关于我们扔多少次、从什么高度开始扔、扔的时候水平速度是多少。我们可以不断重复扔东西的实验。每一次，物体都会划出一条抛物线。这是一类极其简单的曲线，是到一个固定点及一条固定直线等距的点集（见图1-1）。所以可以这样说，下落，这一最为普适的自然现象也恰恰是最为简单的。图1-1 抛物线的定义
到一个固定点及一条固定直线等距的点集。
在伽利略时代之前，数学家们早已非常熟悉“抛物线”这一数学概念，它属于我们所谓的“数学对象”。伽利略对抛物线的发现是人类早期习得的自然规律的一例。自然规律描述了亚宇宙系统中行为的规律性，在抛物线的例子中，这个系统指的是在行星表面正在下落的物体。自宇宙诞生以来，这一现象已经在许多地方发生过很多次。这也就是说，存在许多适用这一规律的情况。
当孩子们再长大一点，他们或许会问这样的问题：为什么下落的物体会划出这样简单的曲线？为什么诸如抛物线之类的数学家思维的产物，会和现实世界发生联系？为什么像物体下落这样普遍的自然规律，要对应于一条如此简单又如此美丽的几何曲线？完美的世界
自伽利略的发现开始，物理学家早已习惯运用数学来描述物理定律，这使得他们收获颇丰。对生活在现代的我们来说，自然规律必须通过数学语言来描述，这已不言自明。伽利略的时代大约处于欧几里得提出几何公理后的两千年，在这两千年中，没有人试图通过数学规律来解释物体的运动。从古希腊时代到17世纪，受过教育的人大多知道抛物线的几何定义。可当他们投球、射箭时，没有人思考过球或[1]箭下落的轨迹。他们中的任何一个人都有可能提出伽利略的发现。这一发现所需要的数学工具早就被雅典的柏拉图以及亚历山大城的哲学家、大数学家希帕提娅（Hypatia）发展好了。可是没有人这么做。为什么伽利略会想到数学可以描述物体下落这样简单的物理过程呢？
这个问题将我们带入了一类简单却又难以回答的问题的核心：什么是数学？为什么数学关乎科学？
数学中的对象是纯思维的产物。在这个世界中，我们并没有发现抛物线，而是发明了抛物线。抛物线、圆、直线，这些都是我们头脑中的想法。我们构造它们并给予它们数学定义，举例来说，“圆是到一个固定点等距的点集……抛物线是到一个固定点及一条固定直线等距的点集”。一旦有了这些曲线的定义，我们就可以直接通过它们推导出曲线的一些性质。这正是高中几何课的教程。这些推导可以通过一种叫作“证明”的方式给出。在一则证明中，每一个论点都可依据简单的推理规则，由之前的论点推出。在这种高度形式化的推导之中，[2]观测与度量并无一席之地。
我们可以画出一些几何曲线，它们可以近似数学证明中所给出的曲线的性质，可是这种曲线并不完美。类似地，我们可以在现实世界中找到一些几何曲线，比如悬索桥的悬索线，又比如猫伸懒腰时背部的曲线。可是，这类曲线仅仅是数学曲线的近似，当我们细看时，它们并不完美。这是数学面对的一个基本难题：数学研究的对象并不真实，它却可以用来解释真实的世界。怎么会这样？即便在极其简单的例子中，真实世界与数学的关系也并不显而易见。
你现在或许会质疑数学到底和引力有什么关系。我不得不在此跑题，因为与引力一样，数学也触及时间的核心奥秘。我们必须在一些简单的例子中厘清数学与自然的关系，物体的下落曲线便是其中一例。否则，当我们深入更现代的物理，遇到诸如“宇宙是一个四维时空流形”之类的观点时，我们会一头雾水。没有一些浅滩试水的经验，我们很容易成为那些故弄玄虚者的猎物。这些人打着科学的幌子，兜售着他们激进的形而上学幻想。
完美的圆或抛物线在自然界中并不存在，但在一点上它们与自然物体是共通的：两者都不会因为人类的意志或幻想而改变。圆周率就是其中一例，它等于一个圆的周长除以直径。圆周率这个概念一经发明，它的值便是一个客观存在，必须通过数学推导才能发现。有人试图通过立法规定圆周率的取值，这些行为暴露出人们的一个重大误解。不管人们如何期待，圆周率总在那里，它的值不会改变，这个道理适用于其他所有的几何曲线和数学对象。对于它们的特性，我们或许会说对或许会说错，但不论何时，我们都无法将其改变。
我们中的大多数人最终都接受了不能飞翔的事实；我们也终于开始承认，在许多方面我们对于大自然无能为力。这些只存在于我们脑海中的数学概念如同自然界的事物一样，客观存在且不会因为我们的意志改变，这岂不令人惴惴不安？我们发明了数学中的曲线与数字，可是它们一经发明，我们就再也无法改变它们。
尽管曲线和数字在其特征的稳定性及客观性上与自然世界的物体类似，但两者并不等同。曲线与数字缺乏一个基本属性，这一基本属性在每一个自然事物上都会得以体现。在这个真实的世界中，总是存在一个个时间片段。我们所知道的属于这个世界的一切物体都存在于时间长河之中；我们所作出的关于这个世界的一切观测都可以被回溯；我们中的每一个人、我们所知道的每一个事物，都只存在于某一个特定的时间间隔，在这个间隔之前或之后，我们以及所有的自然事物，并不存在。
曲线和其他数学对象存在于时间之外。再以圆周率的值为例，并不存在这样一天，在那天之前，圆周率的值是某个数或者还没给出；在那天之后，圆周率的值就变成了另一个数。再比如，在欧几里得几何学中，一个平面中的两条平行线永远不会相交，这条规律过去如此，未来也会如此。任何关于曲线、数字等数学对象正确性的论断都不需要考虑时间。数学对象超越了时间。但是，这些存在着的事物怎么会[3]独立于时间呢？
人们对这些问题的争论已经持续了上千年，然而哲学家们还未就此达成一致，但其中一个提议自提出伊始便脱颖而出。这个提议认为，曲线、数字及其他数学对象以一种与我们所见的自然事物完全相同的方式存在。唯一的区别是，它们存在于独立于我们这个世界的另一个世界：这个世界没有时间。于是，我们的世界中出现了两类事物，受制于时间的事物和独立于时间的事物。事实上，它们正代表了它们身后的两个世界：受制于时间的世界和独立于时间的世界。
数学对象存在于一个遗世独立、没有时间的世界之中，人们常常认为这一观点源自柏拉图。他曾这样说道，当数学家们提起三角形的时候，他们并不是指任何存在于现实世界中的三角形，而是指一个理想化的三角形，这样的三角形是真实的（比现实世界中的三角形还真实），只不过它们存在于独立于时间的另一个世界。比如，三角形的内角和为180°，严格地说这条定理在物理世界中并不正确，但对存在于数学世界中的理想三角形来说，这条定理是绝对而且精确的。所以当证明这个定理时，我们获知了一些存在于时间之外的事物，同时我们证实了真理同样存在于时间之外，独立于过去、现在和未来。
如果柏拉图是正确的，那么通过推导，人类便可以超脱时间，了解永恒世界中的永恒真理。一些数学家声称，通过数学推理，他们获得了一些关于柏拉图世界的知识。如果所言为真，那么他们就掌握了一丝神性的线索。可是，真能做到这一点吗？他们的声明可信吗？
当我需要细究柏拉图主义时，我会邀请我的朋友吉姆·布朗（Jim Brown）共进午餐。我们两人都非常享受这顿大餐。席间，布朗会非常耐心地向我一遍遍地解释，为什么他相信数学世界是一个超脱时间的真实世界。在哲学家中，布朗绝非等闲之辈。他的思想犹如剃刀一般犀利，但性格却非常阳光。你能感觉到他非常享受生活，认识他自然也让人心情舒畅。他是一位出色的哲学家，精通有关此论题的两方面意见，并且他对自己无法反驳的对立观点也持相当开放的态度。可惜，我还是没有找到一种方法，借以挑战他对永恒世界存在性的信仰。有时我甚至怀疑，布朗如此快乐的原因，并不是因为他对人类作出了某种贡献，而是出于他对真理的信仰。
布朗及其他柏拉图主义者承认，他们面临着一个难题。人类受时间的约束，人类所接触的事物也会受时间的约束，但又是为什么受制于时间的我们可以获得永恒数学世界中的知识？我们通过逻辑推导获得数学真理，可是我们能够百分百地确信自己的推导是正确的吗？我们做不到这一点。我们偶尔可以发现，数学教科书中的证明存在着这样那样的错误。某些证明中的错误可能尚未被发现。当然你可以说所有的数学对象根本就不存在，所以也无所谓存不存在于时间之外。可是如果这样做，就是在说我们拥有一些关于根本就不存在的事物的可靠知识，这似乎也说不通。
另一位与我讨论柏拉图主义的朋友，是英国数学物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）。他认为，数学世界中的真理拥有一个无法被任何公理体系所描绘的真实性。他认同大逻辑学家库尔特·哥德尔（Kurt Gödel）的观点，认为数学世界中的某些真理无法在公理体系内得以证明，它们的推导必须通过直觉。我记得有一次彭罗斯这样对我说：“对于‘1+1=2’，你当然会深信不疑。因为这是你可以通过直觉感知并确信的数学世界中的一部分。所以说‘1+1=2’这条定律本身，便是数学推导能够超越时间的证明。那好，你是否认同‘2+2=4’？你也会同意！那‘5+5=10’呢？你当然也会认同。所以你要相信你知道许许多多关于永恒数学世界的真相。”彭罗斯相信，人类的思维能超越各种错综复杂的日常经验，抵达其背后所隐藏着的永
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