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。
这一观点在很多层面上削弱了时间的存在感。[1]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何假设。[2]
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，宇宙学研究势必融合这一观点也不奇怪。[3]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此、为何存在一致性，这便是假设它们是演化的结果。[4]
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。定律式的解释与历史序列的旁白之间，仅仅存在相对的区别。[5]
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，它们会随时代的更迭而逐步演化”。[6]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加工。他还写道：“世间没有规律——除此规律以外。”[7]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、进化论式的问题。”[8]
在我1997年出版的著作《宇宙生命》（The Life of the Cosmos）中，我仿照生物进化论，提出了一套自然规律演化理论。[9]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，必然是它与其他事物动态关系[10]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。