时间重生
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圆圆2024-05-06以上论证引发了一个令人惊讶的后果：如果对称性不过是近似成立的，那么物理中的动量守恒、角动量守恒、能量守恒也必然是近似成立的。这些守恒定律分别建立于空间平移对称性、空间转动对称性、时间平移对称性之上。20世纪初，女性数学家埃米·诺特尔（Emmy Noether）证明了守恒定律和对称性之间的关系。她的定理是物理学的支柱之一，理应多加宣传。因此，这个未知的新宇宙学理论将不可能具有对称性和守恒定律。一些粒子物理学家依据标准模型的成功经验，总喜欢说，越为终极的理论就拥有越多的对称性。然而，这是条完全错误的经验。
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圆圆2024-05-06然而，如果大爆炸之前就没有过去，那么自然规律与初始条件的选择就会显得有些随意，我们也无法检验此类选择到底是否存在。同样，如果大爆炸之前的字宙与我们的字宙因果无关，那么我们也无法借助大量的宇宙来测试此类选择。对于科学的字宙学来说，那些与我们的字宙因果无关的其他宇宙，不能帮助我们理解这个字宙的特性。平行字宙就是这样的例子。所以，想要构建一个科学的、可证伪的字窗学模型，就必须假设自然规律随时间演化。
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圆圆2024-05-06定律随时间而变的理论名为字宙自然选择（cosmological natural selection）假说。
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圆圆2024-05-06宇宙自然选择假说是我的第一本书《宇宙生命》的主题。在此，我会呈现些细节，来说明为什么自然规律随时间的演化会使它们的预言可被证伪。宇宙自然选择假说的一条基本假设是，宇宙在黑洞内部繁衍新的宇宙。正因为此，我们的字宙也从黑洞中产生，也是其他宇宙的后代。我们宇宙中的每一个黑洞也正在孕育新的宇宙。在这个框架下，我们可以开始使用自然选择机制。
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圆圆2024-05-06一片参数空间。其中的参数因种群中的不同个体而异，在生物学中，基因就是这样的参数；在物理学中，标准模型的常数就是这样的参数。这些常数包括各种基本粒子的质量和各种基本相互作用的强度。这些参数形成了一种自然规律的位形空间，我们称这样的空间为“理论景观”（在种群生物学中，基因的空间被称为“适应度景观”，理论景观借鉴于此）。一套繁衍机制。我的博士后导师布莱斯·德维特认为，黑洞诞生了新的宇宙。我将采用他的观点。在宇宙中，奇点代表着时间的起始与终结。假设量子引力理论可以将这样的奇点从宇宙中排除，我们就会得到黑洞诞生新宇宙的观点。目前，我们积累了很多理论上的证据来证明这一假设的正确性。我们的宇宙有亿万万个黑洞，也就是说，它可能有许许多多的后代。我们完全可以假设，我们的宇宙本身就是一个古老家族的其中一员。变异。基因在复制时的突变和随机重组，是自然选择机制的工作原理之一。只有这样，后代的基因才能和父母的基因不同。我们可以作出类似的假设，每当一个新宇宙诞生时，它的物理定律中的参数会发生一次小小的随机改变。我们可以根据这个宇宙的参数值，在理论景观中标注这个点。最终，在景观中，我们将得到一个庞大且不断增长的点集，它代表了这些定律参数在多重宇宙间的变化。适应度差异。在种群生物学中，个体的适应度度量着它的繁衍成功率。具体来说，适应度表征个体能够继续繁衍的后代个数。同样，黑洞的适应度度量着黑洞后代的个数。这个数字严重依赖于黑洞的参数。制造黑洞很难；很多参数可以让宇宙中根本不存在黑洞。只有一些特别的参数可以让宇宙拥有很多黑洞。在参数空间中，这些字宙所占的空间很小。我们会假设，这些高黑洞生育率区域是参数空间中的孤岛，它们被低生育率区域围绕。典型性。我们需要假设，在进化了很多代之后，我们的宇宙是宇宙种群中典型的一员。因而我们知道，这个宇宙的属性也是其他许多宇宙的属...
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圆圆2024-05-06此外，字宙自然选择假说作出了许多实打实的预言。一些近期就能进行的观测可以将其证伪。其中一个预言是，中子星的质量存在一个上限。超新星爆发后，其核心要么坍缩成中子星，要么坍缩成黑洞。到底坍缩成哪一个取决于核心的质量；只有当核心质量低于某一临界质量时，它才会形成中子星。因此，如果宇宙自然选择确实存在，这个上限将会尽可能低。这是因为，上限越低，形成黑洞的可能性就越高。这一临界质量取决于中子星的构成，它有如下几种可能性。一种可能是，中子星纯粹由中子构成，在这种情况下，临界质量会比较高，大概是太阳质量的2.5~2.9倍。另一种可能是，中子星由K介子构成，在这种情况下，临界质量比纯中子情况下的低。尽管具体低多少取决于理论模型的细节，但大多数模型都认为这个临界质量大概是太阳质量的1。6~2倍。如果宇宙自然选择假说是正确的，我们会预期自然将尽可能多地让K介子处于中子星的核心。这样才会有一个较低的临界质量。事实证明，只要将K介子的质量调整得足够低，就能实现这一点。而想要让K介子的质量变低，同时又不影响恒星的形成速率，我们需要调整奇夸克的质量。在我刚刚提出宇宙自然选择假说的时候，观测到的最重的中子星的质量小于太阳质量的23，但最近发现的一颗中子星的质量略低于太阳质量的1/2。如果我们取K介子中子星临界质量的理论下限，这一观测就会推翻宇宙自然选择假说；如果我们取临界质量的理论上限，即2倍于太阳质量，宇宙自然选择假说还有一息尚存。然而，另有一个不是那么精确的中子星观测，发现了一颗大约2。5倍于太阳质量的中子星。如果更为精确的测量证实了这一观测，那么宇宙自然选择假说就被彻底证伪了。宇宙自然选择假说的另一个预言基于早期宇宙的一个惊人特征，即极端的规律性。通过对宇宙背景辐射的观测，我们发现早期宇宙的物质分布非常均匀，从一个地方到另一个地方的变化相当小。为什么...
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圆圆2024-05-06突显宇宙自然选择假说的脆弱性。对任何能在宇宙早期大量制造原初黑洞的机制来说，一旦有观测将其证实，我们就能将字宙自然选择假说证伪。如果时间不是真实的，宇宙自然选择就无从谈起。其中一个原因如下：这一假说仅仅需要相对的适者生存。我们宇宙的竞争对手是那些在参数上与这个宇宙略有差别的其他宇宙。这是一个很弱的条件。在这个条件下，我们无须假设我们宇宙的参数对应于全局最大概率；其他宇宙完全可能拥有不同的参数选择，致使它们拥有更高的生育率。这一假说仅仅作出以下预言：不可能通过微调我们宇宙的现有参数使其拥有更高的生育率。因此，我们可以有许多不同种类的宇宙，多重宇宙具有种群多样性。对于每一种宇宙来说，生育率都不可能靠微调参数来提高。随着时间的推移，不同种群的宇宙会不断混合，通过不断试错来达到更高的生育率。这正是生物圈的工作原理。没有一个种群能永远站在生物圈的顶端；生命史的不同阶段，代表生物总是不一样。它们由那些相对适者混合而来。生命不会到达理想态或平衡态；它总是在不断进化。同样，伴随着宇宙种群的演化，典型的自然规律也会随时间而改变。如果不同种的宇宙间的混合方式不再改变，此时多重字宙就到达了一个终极状态。在这种状态下，时间将不再起作用，我们称多重宇宙到达了一个永恒的平衡态。当然，自然选择既没有假设、也没有暗示终极状态的存在。在宇宙自然选择场景中，时间总是出现。除时间真实性以外，宇宙自然选择假说还要求时间是普适的。宇宙的总数变化飞快。每当一个宇宙制造一个黑洞时，这个数字就发生一次改变。如果想从这一假说中提炼出某个预言，我们威必须知道在某个时刻，存在多少具有某某性质的宇宙。要实现这一点，对每一个宇宙而言，时间必须是有意义的。这还不够，在不同的宇宙种群之间，时间也必须具有意义。所以我们需要一个普适的时间概念，它既能给出一个宇宙内的同时性，也能给出不同宇宙间的同时性。”命...
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圆圆2024-05-06值得注意的是，适宜生命生存的宇宙和高产黑洞的宇宙之间有很多共同的特征。两者背后的理论一人择原理与宇宙自然选择假说，都可以解释标准模型参数表现出的精细调控。但是，两个理论提供的解释截然不同。在宇宙自然选择假说中，我们的宇宙是一个典型的宇宙，它的特征使其具有高度的适应性，其他许多宇宙也会享有这些特征；而在永恒暴胀模型中，与我们这个宇宙相似的宇宙极为稀少。在前一理论中，我们得到了一个真实的解释；在后一个理论中，我们仅得到了一个取舍的原则。
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圆圆2024-05-06要解释为什么现在是过去的镜像，我们真需要不含时间的自然规律吗？仅当一个实验过程不断重复进行时，我们才会需要一个“定律”来描述。可事实上，这并不必要。要解释这些实验过程，我们可以用一个比定律弱得多的概念，比如，一个声称重复测量总会得到相同结果的原则。实验过程并没有遵循某个具体的物理定律，它们只在遵循“先例原则”（principle of precedence）。这一原则可以解释此前需要定律才能解释的种种场合。这一原则也不禁止新的测量得到超出旧有知识预言的结果。它既承认物理定律适用于过去反复出现的场景，又允许一小部分自由度存在于新鲜事物的演化过程中。英美法系的运行原则正是先例原则。当法官遇到一个与过去案例相似的案例时，他就会受制于过去的判决先例。自然世界也按照类似的原则运行。当我构思这一观点时，我震惊地发现哲学家查尔斯·皮尔士又一次走在了我的前面。他认为，自然规律随时间的演化形如习惯随时间的发展：一切事物都有形成习惯的趋势。就原子及其构成部分、分子及分子群等我们能够想象的真实对象而言，它们都有较大概率重复先前的场合，而非另起炉灶。这种趋势本身形成了一种规律。随着时间发展，趋势不断加强。而回溯过去，趋势则变得越发不明显。对于真实的新鲜事物来说，这个原则至关重要。如果自然确实依照先例原则运行，而不依照永恒不变的定律运行，那么当先例回溯到头时，我们就无法预测系统的行为。如果我们确实制造了一个全新的系统，那仅凭我们已有的信息就无法预测系统的测量效应。仅当我们大量复制同一系统时，先例原则才会开始发挥效应。在那以后，我们才可以预测系统的行为。如果自然确实是这个样子的，那么我们就有真正开放的未来。我们仍可以在有很多先例的情况下依赖可靠的自然规律，而不再受决定论的束缚。在经典力学中，所有粒子都遵循固定的物理定律运动。所以公平地说，经典力...
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圆圆2024-05-06这个观点是不是在说，自然世界确实可以自由自在地挑选实验结果？从某种意义上说，的确是这样，人们已经知道量子系统确实拥有一些自由的元素。约翰・康威（John Conway）・（Simon Kochen）新出证定理正是在说明这一点。我不太喜欢他们给自己的定理所起的名字，但又不得不承认这个名字朗朗上口且引人注目：自由意志定理（the free-will theorem）。s这一定理适用于两个原子（也可以是其他的量子系统）在相互纠缠后被分离，随后每个原子的某一属性得到了测量。自由意志定理声称，假设在某种意义上，两个实验者可以自由地选择对其所持原子进行何种测量，那么在相同的意义上，原子对测量的响应也是自由的。
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圆圆2024-05-06我们必须对此万分小心一我们不想与相对论的诸多成就相矛盾。这些成就中，有一个名为“量子场论”（quantum field theory）的理论。它是狭义相对论和量子力学的成功结合，也是粒子物理标准模型的基础。它对实验物理作出了许多精确的预测，得到了大量实验结果的支持。
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……2021-01-29只要我们不对这些事实进行过于简单的诠释，它们本身与热力学第二定律就没有矛盾。热力学第二定律不过吐露了这样一个真理：如果一件事情可以通过很多方法去完成，那它就越有可能被完成。正常的热力学系统终结于一个均的、无趣的热平衡态；受引力约的反热力学系统终结于为数众多的非均质态中的某一状态。因此，宇宙之所以有趣的原因有三：“受推动的自组织性”作用于无数的尺度之上、无数的子系统中，上至星系，下至分子。这一原则使得系统的复杂度得以不断增加。驱动这一过程的引是恒星，正是“基本物理定律的精细调整”以及“引力系统的反热力学本质”使得恒星得以存在。但是，当且仅当宇宙的初始条件具有高度的时间非对称性时，这些作用才可以创造出一个充满恒星和星系的宇宙。225
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……2021-01-29是否存在这样一个决定论式的宇宙学理论，当我们将其应用于孤立的子系统并忽略掉子系统外的一切事物时，它会变成量子力学？这个问题的答案是肯定的。但我们马上会看到，为了这个肯定的答案，我们将付出高昂的代价。在这样的理论中，量子力学中的概率起源于我们忽视了作为整体的宇宙。如果能站在整个宇宙的层次上思考量子问题，概率将让位于确定性的结果。在将宇宙学理论截断成描述宇宙局部的理论的过程中，量子不确定性油然而生。人们称这样的理论为“隐变量”理论(hidden variables theory)。在隐变量理论中，实验者所关注的孤立量子系统以外的宇宙信息将解决量子不确定性。人们提出过许多此类理论。这些理论所给的量子现象预言同量子力学的预言相符。所以我们知道，至少从原则上说，此类量子力学的诠释是可能的。此外在将量子力学扩展到宇宙学理论的过程中，如果决定论得以恢复，那么与其说隐变量和单个系统的超精确描述有关，不如说隐变量和这个系统同宇宙其余部分的关系有关。我们称这样的隐变量为“相对关系隐变量”。
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……2021-01-29让我们通过一个典型的物理过程看看以上方法的工作原理。考虑一个充满气体的容器，里面存在大量气体分子。这个系统的终极描述存在于微观层次微观描述必须告诉我们每个气体分子的位置和运动，这需要大量信息。但这个系统还有一个宏观层次，在宏观描述中，我们可以用密度、温度、压力来描述气体。指明气体的密度和温度所需的信息，远远少于指明每个气体分子所处位置的信息。因此，把系统的微观描述翻译为宏观描述相对简单，而反过来则非常困难。如果你知道每个原子所处的位置，你就会知道气体的密度和温度，后者是气体原子的平均动能。而宏观描述却不可能翻译成微观描述。这是因为给定一个气体密度和压强，可以有许多不同的分子排列方式。199微观与宏观描述
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……2021-01-29先例原则认为，过去情况的集合决定了未来实验观测的结果。由于这些过去情况是真实的，所以末来的真实事物仅受过去的真实事物影响。先例原则还很明显地满足另一条新宇宙学原则，即自然规律随时间的演化。它对这一原则的拥护达到挑衅的程度。先例原则认为，没有先例的测量不受此前的物理定律约束。随着实验结果的不断积累，先例不断被建立；仅当我们积累足够多的先例时，实验结果才会受定律约束。156
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……2021-01-29世界是一个动态的关系网。新宇宙学的原理之一就是作用的双向性。如果网络告诉粒子如何运动，那么粒子的运动是否也将告诉网络如何变化？由此问题导出的现实世界图像类似人类的社交网络。世界是一个动态的关系网；网络上生活的个体以及网络自身的结构都会发生演化。这便是背景独立量子引力理论眼中的世界。151
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……2021-01-29当我构思这一观点时，我震惊地发现哲学家尔斯·皮尔士又一次走在了我的前面。他认为，自然规律随时间的演化形如习惯随时间的发展：一切事物都有形成习惯的趋势。就原子及其构成部分、分子及分子群等我们能够想象的真实对象而言，它们都有较大概率重复先前的场合，而非另起炉灶。这种趋势本身形成了一种规律。随着时间发展，趋势不断加强。而回溯过去，趋势则变得越发不明显。151
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……2021-01-29真实的台球系统要复杂得多。由此看来，将一个台球与一个位置相关联是一种粗略的近似。如果你想要一个对台球比赛更精确的描述，你不仅要记录每个球的位置信息，还要记录组成球的每一个原子的位置信息。这至少需要10个数字，可见，这是一个维度极高的位形空间。这还不是全部。如果确实需要原子层次的描述，我们还要包括球桌中每个原子的位置信息、每个撞击台球的空气粒子的位置信息、室内所有光子的位置信息。当然，我们不能止步于此，我们还要包括对台球施加引力效应的所有地球原子、所有月亮原子、所有太阳原子的位置信息。由此看来，一切未上升到宇宙层次的系统描述都不过是种近似。50
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刘康康2018-04-29在我的想象中，宇宙可以通过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。
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眼干2016-05-13Galileo was exposed to music as a child, before he was a scientist.His father, Vincenzo Galilei, was a composer and an influential musictheorist, who is said to have stretched violin strings across the attic oftheir house in Pisa so his young son could experience the relationshipbetween harmony and ratio. Bored during a service in the Pisa cathedral,Galileo noticed that the time it took a hanging lamp to sway fromside to side was independent of how wide its swing was.