引言
美妙的意外，皆源于時間的驚濤駭浪

在科學中，時間是一種假象的觀點強大且難以撼動。反過來看，接受時間的真實性勢必會引發驚濤駭浪。

作為物理學家，我們反對時間真實性的核心理由往往基于我們對物理定律的理解。根據物理學的主流觀點，宇宙中所發生的一切皆有規律可循。這些規律分毫不差地決定了如何從現在演化出未來——這些規律是絕對的。關于現在的初始條件一旦給出，未來如何演化就會被唯一確定，不留任何自由度與不確定性。

在湯姆·斯托帕德（Tom Stoppard）的劇作《阿卡狄亞》（Arca-dia）中，早熟的女主角托馬西娜（Thomasina）對她的私塾老師這樣說道：“倘若你能讓每一個原子停下來，記下它們的位置與行進方向，理解它們的運動，那么只要你的數學足夠好，就可以寫下一個公式，它能夠成功地預言所有的未來。雖然現實中沒人可以聰明到做到這一點，但那個公式一定存在。因為理論上，我們可以做到。”

作為一位理論物理學家，我曾經認為自己的工作就是尋找這樣的全能公式。但現在我相信，這項使命與其說關乎科學，倒不如說關乎玄學。

如果斯托帕德筆下的托馬西娜生活在現代社會，她一定會說，宇宙就像是一臺計算機。而物理定律正是計算機的程序。你可以將宇宙中所有基本粒子的位置信息作為初始變量，輸入這臺巨型計算機。經過一段時間的計算，它會告訴你，未來的某一時刻，這些基本粒子會出現在何處。根據這種世界觀，世間的一切就是依照永恒的自然規律而進行的一次又一次的排列組合。因為這些規律的存在，過去早已決定現在，現在早已決定未來。

這一觀點在很多層面上削弱了時間的存在感。[1]那樣的世界不容許意外，也不容許新鮮事物，因為那里發生的一切僅僅是原子的重新排列。而原子自身的性質是永恒的，控制原子運動的自然規律也是永恒的；兩者都不會隨時間而改變。憑借現在的原子結構，我們可以預測未來世界的方方面面。也就是說，時間的推移等同于一種計算，未來是現在的一種邏輯推理。

愛因斯坦的相對論更進一步指出，時間對于描述這個世界的基本理論來說，無關緊要（我將在第6章中對此詳細討論）。相對論強有力地證明，這個世界的全部歷史是一個超脫時間的整體；拋開人們的日常生活，區分現在、過去和未來，毫無意義。時間不過是一個類似空間的維度。我們感覺中的世界似乎稍縱即逝，可惜這僅僅是一種錯覺：現實不會隨時間的流逝而發生變化。

時間流逝不是錯覺

對于任何相信自由意志論或人類能動性的人來說，上述說法令人震驚。但是，我不會基于這些哲學觀點來反駁相對論；我對時間真實性的探討純粹基于科學。上述未來決定論其實是錯誤的，我在本書中的工作就是對此進行科學論證。

在本書第一幕中我提到，為何從科學上看，我們似乎更應該相信時間是一種錯覺；在第二幕，我會推翻這些時間錯覺論的觀點，并展示承認時間真實性對于科學來說是何等必要，它有助于克服基礎物理學和宇宙學當下所面對的種種危機。

物理學家使用時間這一概念的歷史源遠流長。為了梳理第一幕的論證，我將追溯這段歷史。從亞里士多德、托勒密，到伽利略、牛頓、愛因斯坦，再到當代的量子宇宙學家，我將展示，隨著物理學的發展，時間的真實性是如何被一步步削弱的。這種敘事方式也方便我一步步地引入普通讀者閱讀本書所需了解的背景知識。事實上，我將通過自由落體、行星運動等常見例子介紹這些背景知識的關鍵點。第二幕的故事更為前沿。因為正是基于科學的最新發展，我才會論證為何時間的真實性必須被視為科學的核心。

我的論證起源于我發現的一個簡單不過的現象：自牛頓時代開始，任何成功的科學理論都使用了牛頓發明的一個理論框架。在這一框架中，大自然完全由一些粒子組成。這些粒子的性質，比如質量和電荷，不隨時間流逝而改變；決定它們運動和相互作用的自然規律也不隨時間改變。這一框架非常適合描述宇宙的局部。但當我們將其應用到整個宇宙時，它會馬上分崩離析。

大部分物理學理論都著眼于宇宙的局部。這些局部可以是一臺收音機，一只正在飛的皮球，一個生物細胞，我們所在的地球，乃至一個星系。當描述宇宙的這些局部時，我們會將自己以及我們的觀測工具排除在局部系統之外。在挑選和準備局部系統時，我們常常不會考慮，我們自身是否參與了系統；也不去考慮建立這些局部系統所依賴的參照系。最為重要的是，我們也不會考慮該如何設置度量系統變化的時鐘，而這恰恰關乎時間的本質。

將物理學延伸到宇宙學的嘗試，帶給我們新挑戰，要求我們有新思路。一個宇宙學理論必須包羅萬象，毫無遺漏。這也就是說，一個真正完備的宇宙學理論必須囊括作為觀測者的我們，以及我們的觀測工具。當研究宇宙時，我們不得不面對一個全新的挑戰：當我們研究的系統是整個宇宙時，我們無法置身于這個系統之外。

此外，宇宙學還缺乏科學方法論的兩條重要原則。一條原則是，實驗必須具有可重復性，這樣才能保證實驗結果的正確。但是，我們無法要求宇宙做到這一點，因為宇宙只發生一次。第二條原則是，我們不能給予宇宙不同的初始狀態，用以觀察宇宙可能的演變。以上兩點是宇宙學發展中所遇到的非常現實的障礙，它們使得研究宇宙整體的科研工作難上加難。

不過，這并不會打消我們通過物理學來研究宇宙的雄心壯志。我們頭腦中的第一反應可能是，升級那些關于宇宙局部理論的尺度，再將其應用于整個宇宙。因為在描述宇宙局部時，這些理論非常富有成效。我將在第8章和第9章中說明，這樣做行不通。獨立于時間的規律作用于獨立于時間的粒子，這套牛頓范式框架中的圖景并不適用于描述整個宇宙。

頗具諷刺意味的是，這些局部理論成功的原因恰恰是它們無法描述整個宇宙的命門。我將對此給出詳細的論證。

我知道，這樣的說法與我很多同事的理想與實踐背道而馳。但我仍希望，讀者可以密切留意我在本書第二幕中給出的論證。屆時，我將同時給出具體的例子與一般性的論證。我會說明，在試圖將局部標準理論升級為宇宙學理論的過程中，我們將進退維谷、自相矛盾，遭遇無法回答的問題。其中之一就是如何選擇早期宇宙的初始條件，以及如何選擇早期宇宙演化所遵循的規律。由局部升級而來的標準理論往往對此無能為力。

許多當代宇宙學文獻記錄了這個時代的智者同這些艱難險阻的搏斗過程，其中一個比較流行的想法是，我們的宇宙僅僅是多重宇宙中的一個。我對這一觀點的流行表示理解，因為這一想法基于一個很容易讓人陷入其中的方法論上的錯誤：既然我們手中的理論只適用于局部，那么，只有當我們的宇宙是一個更大系統的局部時，現有理論才可能適用于整個宇宙。為此，我們虛構了一個充斥著其他宇宙的大環境。多重宇宙論不可能引出任何真正的科學進步，因為其他宇宙與我們的宇宙之間沒有任何因果聯系，我們無法證實或證偽關于它們的任何假設。[2]

多重宇宙論并非宇宙學發展的唯一途徑，寫作本書的目的之一就是要表明這一點。我們要和適用于宇宙局部的標準理論一刀兩斷，我們要從零開始，尋找一個適用于整個宇宙的新理論。這個新理論，不會產生各種混亂和矛盾，可以回答舊理論無法回答的問題，可以為宇宙學觀測提供真正有物理學意義的預測。

雖然我還沒有找到這樣的理論，但我可以提供一套搜索新理論的指導原則，這套原則我會在第10章中詳述。在隨后的章節中，我將說明這些原則將如何啟發新的宇宙學模型與假說，并最終指明一條通向新宇宙學理論的道路。這其中的核心原則是：時間必須是真實的，物理定律必須隨時間而演化。

自然規律不斷演化的觀點并不是什么新想法，宇宙學研究勢必融合這一觀點也不奇怪。[3]美國哲學家查爾斯·皮爾士（Charles S.Peirce）在1891年就這樣寫道：

假定自然界的普適規律以某種人類能夠理解的形式存在，但卻不給出為何人類能夠理解的理由，這種假定很難說是合理的。這些規律完全可以以不合人類邏輯、讓人難以捉摸的形式存在。一致性正是這樣一個值得我們解釋的規律……規律比之其他事物，更需要我們去解釋。

現在，我們僅有一個可能的答案可以用來回答自然規律為何如此、為何存在一致性，這便是假設它們是演化的結果。[4]

當代哲學家羅伯托·昂格爾聲稱：

根據宇宙現在的性質，你可以發掘出宇宙誕生之初一定會具有的性質。但是，你不能證明任何宇宙都必須具備這些性質。它們并不唯一……之前或之后的宇宙可能遵循完全不同的自然規律……描述出自然規律并不等同于能描述或解釋所有可能宇宙中的所有歷史。定律式的解釋與歷史序列的旁白之間，僅僅存在相對的區別。[5]

保羅·狄拉克（Paul Dirac）與愛因斯坦、尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）一同被列為20世紀最具影響力的物理學家。狄拉克曾這樣推測：“宇宙之初的自然規律恐怕和現今的自然規律大相徑庭。因此，我們需要承認，自然規律不會在所有的時空中保持唯一，它們會隨時代的更迭而逐步演化”。[6]美國最偉大的物理學家約翰·惠勒（John A.Wheeler）也曾想象過自然規律的演化。他提出，宇宙大爆炸屬于一個更大的事件序列，在這個事件序列中，物理學規律得到了不斷再加工。他還寫道：“世間沒有規律——除此規律以外。”[7]與導師一樣，惠勒的學生理查德·費曼（Richard Feynman）也是美國一位偉大的物理學家。在一次采訪中，費曼陷入了沉思：“好像只有物理學中不存在進化論式的問題。我們會說，‘看，這些就是自然規律’……可是它們如何隨時間而來？……也許最后我們會發現，這些規律在不同時間并不完全一樣，那么我們總算有了一個和歷史相關、進化論式的問題。”[8]

在我1997年出版的著作《宇宙生命》（The Life of the Cosmos）中，我仿照生物進化論，提出了一套自然規律演化理論。[9]在我的想象中，宇宙可以通過在黑洞內部形成嬰兒宇宙來實現繁殖。同時我假定，每當這樣的繁殖發生時，宇宙中的物理定律都將發生細微的變化。在這一理論中，物理定律相當于生物學中的基因；宇宙可被視作其形成之時物理定律的表達，正如生命可被視作其基因的表達。如同基因一樣，在代代相傳中，物理定律可以發生隨機突變。那時，我受到了弦論最新成果的啟發。我認為，對大統一理論的探索不會讓我們發現唯一的萬物至理，我們很有可能發現一片包含所有可能物理定律的廣闊空間。我稱這一空間為“理論景觀”（the landscape of theories），這一術語借鑒于群體遺傳學家研究的焦點“適應度景觀”（fitness landscapes）。這一理論是第11章的主題，我在此處不再贅述。我只想再強調一點，自誕生之日起，上述宇宙自然選擇理論經歷了數次考驗，依然沒有被證偽。

過去10年間，許多弦論學家接受了理論景觀的概念。也因此，宇宙如何選擇自然規律這個問題變得非常迫切。我認為這一問題僅僅可能在一個新宇宙學框架內解決，在這一框架中，時間是真實的，物理定律也會隨時間演化。

如此一來，掌管宇宙的自然規律將不會來自宇宙之外。我們再也不需要求助于宇宙之外的神或絕對的神，期盼他們在自然存在之前就制定好自然需要遵循的規律。同樣，自然規律不會存在于時間之外，它不會在宇宙誕生之前便一直存在并默默等待。自然規律將從宇宙內部產生，并隨著它們所描述的宇宙的演化而演化。更進一步地說，宇宙的演化將衍生出新的現象，這些現象的規律可以引導出新的物理學規律。這一過程和生物學中新規律的產生類似。

或許有人認為，對永恒自然規律的否定是一種科學精神的倒退；但我認為，這種科學精神僅僅是一種形而上學的負擔，束縛了我們對真理的追求。在后文中，我將舉例說明自然規律演化理論是如何產生一個更為科學的宇宙學的。這里，我所謂的“科學”指的是產生出更多可被實驗觀測驗證的預言。

每個當下，都是真實世界的一個印記

據我所知，微積分的發明人、牛頓的競爭對手，戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfried W.Leibniz）是歐洲科學革命以后，第一位認真思考如何構建一個適用于整個宇宙的物理理論的科學家。他在諸多方面貢獻卓越，比如預見了現代邏輯學、開發了二進制數字系統，世人一直贊頌他為有史以來最聰明的人。為了構造宇宙學理論，萊布尼茨制定了一套被稱作“充足理由律”（principle of sufficient reason）的指導原則。這條規律認為，在構建宇宙的過程中，每一個顯而易見的選擇背后必須存在一個合理的理由；每一個形如“為什么宇宙會是X而不是Y”的問題，必然存在答案。依照這個原則，即使相信神創造了這個世界，那他在設計藍圖時也沒有完全自由地選擇。從創始至今，萊布尼茨的原則對物理學的發展產生了深遠的影響。正如我們將要看到的，作為制定宇宙理論的指導原則，它依然可靠。

在萊布尼茨的眼中，世間萬物并不是單純地羅列在空間之中，而是浸沒于某種相對關系網絡之中，正是這些相對關系網絡定義了何為空間，而非空間決定了相對關系。如今，宇宙是個大網絡的想法，在現代物理學、生物學和計算機科學中已成為潮流。

在這樣一個相對關系世界中（我們指的是相對關系先于空間而存在的世界），沒有空無一物的空間。牛頓的空間觀于此截然相反，因為他所理解的空間是絕對的。絕對空間意味著所有的原子都可以通過它們在空間中的位置而定義，而空間永遠不會因原子的運動所改變。在相對關系世界中，這種不對等關系并不存在，萬事萬物都被它們的相對關系所定義。個體會存在，部分自治的個體也可能存在，但相對關系網絡將決定它們存在的可能性。個人通過與網絡的連結，接觸并感知其他個體。在這一過程中，網絡保持著動態并不斷發展。

在第3章中我將解釋，萊布尼茨的偉大原則是如何否定絕對時間的存在，那種不問世間變化、一直盲目向前的時間。時間必須是變化的結果；如果世界一成不變，就不可能存在時間。哲學家說時間是相對的，它是某些相對關系的一個方面，例如，支配事物變化的因果關系。同樣，空間也是相對的。更進一步地說，自然事物的每一個屬性，必然是它與其他事物動態關系[10]的某種反映。

萊布尼茨的原則與牛頓力學的基本思路相矛盾。完全理解這兩種世界觀頗費時間，直至愛因斯坦的出現才得以完成。愛因斯坦繼承了萊布尼茨的精神，從萊布尼茨的原則出發，推翻了牛頓力學，并以廣義相對論取代了牛頓力學。這一關于時間、空間和引力的理論闡明并極大地拓展了萊布尼茨的相對時間觀和空間觀。同時，萊布尼茨的原則通過另一種方式，影響了與相對論幾乎同時進行的量子革命。因此，我將20世紀物理學革命稱作關系革命（the relational revolution）。

目前我們所面臨的物理學大統一問題，具體來說，是如何將量子力學與相對論放進同一個理論框架的問題，歸根結底，是要求我們完成這場物理學的關系革命。本書的主旨在于說明，要完成關系革命，我們必須接受時間的真實性以及物理定律隨時間演化的前提。

在其他科學領域，關系革命已經在緊鑼密鼓地展開。生物學中的達爾文進化論是其中的急先鋒。進化論中，物種的定義取決于該物種與周圍生物的相對關系，基因的功能取決于該基因在基因網絡中的功能。這兩點都是相對關系的體現。我們很快便認識到，生物學的本質是信息學，而信息本身恰恰與關系有關：信息依賴于位處信息通道兩端的發送者和接收者的相對關系。

在社會學領域，自由主義者宣稱“世界是由自主個體組成的”。哲學家約翰·洛克（John Locke）認為這種論斷和他朋友牛頓的物理學觀點類似，正受到一種新觀點的挑戰。這種新的社會觀點認為，社會由個體組成，而個體僅有部分自主性；只有在社會關系中，個體的生命才是有意義的。讓我們沉迷的信息革命，通過社交網絡體現了關系的概念。作為社會的一份子，我們把自己視作社交網絡的一個節點，節點的連接定義了我們的身份。今天，從女權主義政治哲學家到企業管理大師，人人都在談論社交網絡。這一概念在社會學理論中廣泛出現。有多少Facebook用戶會意識到，他們每一天的社交生活起源于相對關系這個強大的科學觀念呢？

關系革命已經持續多年。在發展的同時，也陷入了危機，在一些方面，它停滯不前。在任何關系革命所陷入的危機之中，我們總能發現以下三個被人們熱議的問題：什么是個體？如何演生新的系統與實體？如何才能有效地將宇宙理解為一個整體？

解答這些問題的關鍵在于，個體、系統，甚至整個宇宙并非簡單的事物，它們都在隨時間而發展的過程中產生。我們思維的盲點在于，沒有將這些事物視作隨時間發展的過程。看不到這一點，我們便無法回答以上問題。接下來，我會論證，如果關系革命想要取得成功，它必須將時間以及每一個當下，視作真實世界的一個基本方面。

在舊有的思維中，個體是組成系統的最小單元。如果你想了解一個系統的運作原理，你會將它拆解，研究它的局部到底如何運作。但是，對于那些最基本的單元，我們又該如何學習它們的性質呢？它們不可能再被分割，因此還原論（上述方法論的名稱）再也不能幫助我們。原子論在此也無濟于事，事實上，原子論本身也由于同樣的原因停滯不前。這正是方興未艾的關系革命可以把握也必須把握的機遇。我們需要在基本粒子的關系網絡之中，尋求基本粒子性質的解釋。

這一點已經包含在我們對大統一理論所作出的種種努力之中。粒子物理學標準模型是我們迄今為止所構建的最好的粒子物理學理論。在標準模型中，諸如電子質量之類的屬性，由電子所參與的相互作用來動態地決定。粒子的基本屬性之一在于它的質量，質量決定了改變粒子運動的難易程度。在標準模型中，所有粒子的質量起源于它們與其他粒子相互作用。其中，它們與希格斯玻色子的相互作用是決定性因素。從這種意義上來說，沒有粒子是“基本”的；在一定程度上，所有看似粒子的行為，都是相互作用網絡演生的結果。

在相對關系主導的世界中，“演生”（emergence）是一個重要的概念。當我們將一個物體拆分成部件后，物體某個原有屬性變得不再有意義，那么這個原有屬性即為演生屬性。巖石的堅硬、溪水的流動，這些都是物體的演生屬性——因為，構成巖石的原子并不堅硬，構成溪水的原子也不濕潤。物體的演生屬性往往是一種近似描述，因為它總是涉及某種平均，抑或是某種高度概括、舍棄許多細節的描述。

隨著科學的進步，我們發現一些曾經被認為是自然基本屬性的性質，其實是演生的、近似的：我們曾經認為，固態、液態和氣態是物體的基本狀態，現在我們知道這些不過是演生屬性，它們只是代表了原子的不同排列方式。許多我們曾經相信的物理學基本定律，現在看來也是演生的、近似的：溫度不過是原子隨機運動的平均能量，所以熱力學定律中，溫度是一個演生的、近似的概念。

我甚至會這樣想，一切現在我們認為基本的事物，到頭來都會被證明是某種演生和近似，比如引力，比如牛頓以及愛因斯坦的引力定律，比如量子力學中的定理，再比如整個空間本身。我們所追求的基本物理理論不會去描述物體在空間中的運動，它不會將引力以及電磁力視為基本相互作用；它也不會是量子力學。空間、相互作用、量子力學，這些事物都是伴隨著宇宙膨脹而演生出來的某種近似。

如果空間是演生的，那么時間是不是也是演生的呢？當我們深入大自然更為基本的層面時，時間是不是會消失呢？20世紀的物理學發展使得我的同事們傾向于認同這樣一種觀點：時間從某種更為基本的自然描述中演生。在那個更為基本的世界之中，時間并不存在。

我執著地相信，他們搞錯了。最終，時間，將被證明是我們日常生活中唯一基本而非演生的事物。生活中，我們會感知到瞬間，會感知到這些瞬間屬于一條流淌著的時間長河，這些感知都不是假象。這也正是指引我們通往終極現實的最佳線索。