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宇宙學第一原則：宇宙之外什么都沒有

人類是會制造工具的物種。因此，當我們發現一些外表精致、結構復雜的東西時，便會本能地問：“誰創造了它？”但是，我們在準備科學地了解宇宙之前必須知道，這并不是一個應該問的問題。誠然，宇宙是美麗的，因為它有著錯綜復雜的結構。但它不可能是由存在于它之外的任何東西創造出來的，因為根據定義，宇宙就是一切，在它之外什么也沒有。同樣，根據定義，在宇宙誕生之前也不可能有任何東西創造了它，因為即使有什么東西存在，它也一定是宇宙的一部分。所以宇宙學第一原則就是“宇宙之外什么都沒有”。

但這并不是要否定宗教或是神話，因為那些信仰者所尋求的靈感和啟迪總會有存在的空間。然而，如果我們渴求的是知識，如果我們想了解宇宙是什么以及它是如何形成的，我們就需要找出那些切身問題的答案。并且，問題的答案只能涉及宇宙之中存在的事物。

第一原則意味著我們需要把宇宙定義為一個封閉系統。也就是說，對宇宙中任何事物的解釋，只能涉及宇宙中也存在的其他事物。這將會產生非常重要的各種推論，在接下來的章節中，每一個推論都將被反復提及。其中最重要的一點是，對宇宙中任何實體的定義或描述都只能涉及宇宙中的其他事物。如果某個物體有一個位置，則這個位置只能相對于宇宙中的其他物體來描述。如果它有一個運動，那么這個運動只能通過觀察它相對于宇宙中其他物體的位置的變化才能被識別出來。

獨立于現實世界中現實事物關系之外的空間是沒有意義的。空間不是一個舞臺，可空可滿，物體可以在其上來來去去。空間與其間存在的事物密不可分，它只是物體之間眾多關系中的一個方面而已。從某種意義上講，空間就像一個英文句子。談論一個沒有單詞的句子是荒謬的。每個句子都有一個語法結構，該結構被包含于其中的單詞與單詞之間的關系定義，類似于主語-賓語或形容詞-名詞的關系等。如果我們把句子中所有的單詞都去掉，那么不僅句子不復存在，什么都不存在了。此外，語法結構多種多樣，對不同單詞進行不同的排列，可形成不同的關系。沒有一個絕對的句子結構能夠獨立于特定的單詞而普適于所有的句子。

宇宙的幾何學特征特別像英語句子的語法結構。如果沒有單詞之間的關系，語法結構和句子就不復存在。同理，如果沒有宇宙中物體之間的關系，空間也就不復存在。如果你通過去掉一些單詞或者調整單詞的順序來改變一個句子，句子的語法結構也就隨之發生改變。同樣，當宇宙中的物體彼此之間的關系發生改變時，空間幾何也會隨之改變。

綜上所述，談論一個空無一物的宇宙是荒謬的，和談論一個沒有單詞的句子一樣荒謬。而談論一個只有一件東西的空間就顯得更加荒謬了，因為那樣的話，就沒有任何關系來定義這個東西到底在什么位置。在這里，前文中的類比不再適用，因為確實有只含一個單詞的句子存在。然而，我們通常會借助它與相鄰句子的關系來弄明白只有一個單詞的句子的意思。

認為空間獨立于任何關系而存在的觀點被稱為絕對時空觀。這是牛頓的觀點，已被證實的愛因斯坦廣義相對論的實驗所證偽。隨之便產生了根本性的影響，人們需要進行大量的思考才能夠重新適應。然而，仍有不少專業物理學家堅持絕對時空觀，他們堅持認為空間和時間具有絕對意義。

當然，空間的幾何形狀看上去確實不受周圍運動物體的影響。當我從房間的一邊走到另一邊時，房間的幾何形狀似乎并沒有改變。在我穿過房間之后，房間里的空間似乎與我開始運動前一樣，仍然符合我們在學校里學過的歐幾里得幾何（Euclidean geometry）的規則。如果連歐幾里得幾何都不能很好地描述我們周圍物體的規律，牛頓理論就更不可能了。但是，表面上的歐幾里得空間幾何，其實和地球表面看上去很平坦一樣，是一種錯覺。只有當我們看不見視界時，地球看起來才是平坦的。但當我們能看到足夠遠的地方，如在飛機上俯瞰大地或者眺望大海時，就可以很容易知道這是錯誤的。同樣，你所在房間的幾何形狀似乎符合歐幾里得幾何的規則，只是因為這些規則的偏離非常小。但是如果你做了非常精確的測量，就會發現房間里三角形的內角之和不等于180度。而且，內角總和實際上取決于三角形和房間里的東西之間的關系。其實，如果測量足夠精確，你就會發現，當你從房間的一邊移動到另一邊時，房間里所有三角形的幾何形狀都會發生改變。

也許每一門科學都有一個主要的理論來啟迪人類，幫助我們了解自己是誰，在這里做什么。生物學教給我們自然選擇（nature selection），正如它的倡導者理查德·道金斯（Richard Dawkins）(1)和林恩·馬古利斯（Lynn Margulies）曾經雄辯地教導我們的那樣。我認為相對論和量子理論教給我們的是，世界只不過是一個不斷發展的關系網絡。雖然我的口才不足以讓我成為相對論領域的道金斯或馬古力斯，但我真的希望，讀完這本書后，你們能逐漸認識到，空間和時間的關系圖就像自然選擇一樣，不僅對科學，而且對如何認識我們是誰及我們如何在這個不斷變化的關系世界中生存都有深刻的影響。

達爾文的理論告訴我們，人類的出現并非不可避免，宇宙中沒有永恒的秩序規定人類必須存在。我們的進化歷程比生活和社會中的一些細節更加復雜和不可預測，而那些細節我們還可以有所控制。世界從根本上說是一個不斷發展的關系網絡，這個事實說明，世界上的所有事物或多或少都是如此。宇宙沒有固定的、永恒的框架來定義什么可能存在，什么可能不存在。除了我們所看到的，除了它特殊的歷史之外沒有其他背景，世界的另一邊沒有任何東西。

這種關系空間的觀點由來已久。早在18世紀，哲學家戈特弗里德·威廉·萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）就宣稱牛頓的物理學有致命的缺陷，因為它建立在一種邏輯并不完美的絕對時空觀之上。還有一些哲學家和科學家，如19世紀末在維也納工作的厄恩斯特·馬赫（Ernst Mach），也是關系空間觀點的擁護者。愛因斯坦的廣義相對論正是這種觀點的直接產物。

令人困惑的是，愛因斯坦的廣義相對論可以自洽地描述不包含任何物質的宇宙。但這會使人覺得該理論不具有相關性，因為有空間，空間里卻沒有物質，就不能夠定義空間里的物質之間的關系。這種認知是錯誤的，錯誤之處在于認為定義空間的關系必須存在于物質粒子之間。而事實上，從19世紀中葉起人們就知道，世界并不僅僅是由粒子組成的。另有一個相反的觀點認為，世界也是由場組成的，該觀點奠定了20世紀物理學的基礎。場是在空間中不斷變化的量，如電場。

電場通常被可視化為圍繞場源物體的力線網絡（如圖1-1所示）。稱其為場是因為存在通過每一點的力線，不像等高線圖，只畫出一定間隔的線。我們把帶電粒子放在電場中的任何一點，它都會受到一個力，這個力推動它沿著穿過該點的電場線運動。

廣義相對論是場理論，所涉及的場被稱為引力場。引力場比電場更復雜，并且被可視化為更復雜的場線集合（如圖1-2所示），它需要三組線條來表達。我們可以想象它們有不同的顏色，比如紅色、藍色和綠色。因為有三組場線，所以引力場定義了一個關系網絡，即三組場線如何彼此連接。例如，三種場線中的一種繞另一種打了多少個結，人們可以基于此去描述這些關系。

空間中的點本身是不存在的，點的唯一含義是我們基于三組場線之間的關系網絡中的某一特定屬性所起的名稱。

事實上，這些關系就是引力場的全部。以相同方式連接和纏結的兩組場線定義了相同的關系，準確地說，是定義了相同的物理狀態（如圖1-3所示）。這就是為什么我們把廣義相對論稱為關聯理論。

這是廣義相對論和其他理論，如電場理論的重要區別之一。電場理論假定點是具有實際意義的，對于給定的某個點，場線通過的方向問題是有意義的。因此，兩組相同的電場線僅其中一組向左移動一米（如圖1-4所示），就可以用來描述不同的物理狀態。運用廣義相對論的物理學家必須以相反的方式工作。如果不能通過一些場線的特點來辨別一個點，他們就不能談論這個點。廣義相對論中的所有論述都是關于場線之間的關系的。

人們可能會問，為什么不固定場線的關系網絡，從而以其為基礎定義其他所有東西？原因是關系網絡會隨著時間的變化而變化。除了少數與現實世界無關的理想化例子，在廣義相對論描述的所有世界中，場線的關系網絡都在不斷變化。

關于空間的問題上文已經做了詳盡的解釋，現在我們談談時間問題。牛頓理論認為，時間具有絕對的意義。它從無限的過去流向無限的未來，在宇宙的任何地方都一樣，與實際發生的事物沒有任何關系。變化是以時間為單位來衡量的，但時間是超越宇宙中任何特定變化過程而存在的。

在20世紀，科學家認識到，這種時間觀和牛頓的絕對空間觀一樣，都是錯誤的。現在我們知道，時間也沒有絕對的意義。沒有變化就沒有時間。時間不可能獨立于不斷變化的關系網絡之外存在。所以，人們不能在絕對意義上問，事物的變化速度有多快，因為我們只能得到一個過程相對于另一過程的速度。時間只能依據描述空間的關系網絡的變化來進行描述。

這意味著，在廣義相對論中，談論一個什么都沒有發生的宇宙是荒謬的。時間只不過是變化的度量衡，因為它沒有別的意義。在構成宇宙的不斷演化的關系體系之外，空間和時間都不會存在。物理學家把廣義相對論的這一特征稱為背景獨立。

也就是說，沒有固定的背景或階段可以永遠保持不變。相反，像牛頓力學或電磁學這樣的理論是依賴背景的，因為它通過假定存在一個固定不變的背景，來為所有關于時間、空間的問題給出終極答案。

構建量子引力理論之所以需要花費這么長時間，其中一個重要的原因是以前所有的量子理論都是背景依賴的。事實證明，構建一個背景獨立的量子理論是相當具有挑戰性的。在這種量子理論的數學結構中，除了通過關系網絡來確認的點，對“點”這一概念并無提及。在20世紀最后15年中，在空間和時間只不過是關系網絡的共識下，由量子理論描述的世界終于被構建出來。由此產生的理論即圈量子引力理論，這是研究量子引力理論的三條道路之一。在此之前，我們還得探討宇宙之外沒有任何東西這一原則的其他含義。