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宇宙学第一原则：宇宙之外什么都没有

人类是会制造工具的物种。因此，当我们发现一些外表精致、结构复杂的东西时，便会本能地问：“谁创造了它？”但是，我们在准备科学地了解宇宙之前必须知道，这并不是一个应该问的问题。诚然，宇宙是美丽的，因为它有着错综复杂的结构。但它不可能是由存在于它之外的任何东西创造出来的，因为根据定义，宇宙就是一切，在它之外什么也没有。同样，根据定义，在宇宙诞生之前也不可能有任何东西创造了它，因为即使有什么东西存在，它也一定是宇宙的一部分。所以宇宙学第一原则就是“宇宙之外什么都没有”。

但这并不是要否定宗教或是神话，因为那些信仰者所寻求的灵感和启迪总会有存在的空间。然而，如果我们渴求的是知识，如果我们想了解宇宙是什么以及它是如何形成的，我们就需要找出那些切身问题的答案。并且，问题的答案只能涉及宇宙之中存在的事物。

第一原则意味着我们需要把宇宙定义为一个封闭系统。也就是说，对宇宙中任何事物的解释，只能涉及宇宙中也存在的其他事物。这将会产生非常重要的各种推论，在接下来的章节中，每一个推论都将被反复提及。其中最重要的一点是，对宇宙中任何实体的定义或描述都只能涉及宇宙中的其他事物。如果某个物体有一个位置，则这个位置只能相对于宇宙中的其他物体来描述。如果它有一个运动，那么这个运动只能通过观察它相对于宇宙中其他物体的位置的变化才能被识别出来。

独立于现实世界中现实事物关系之外的空间是没有意义的。空间不是一个舞台，可空可满，物体可以在其上来来去去。空间与其间存在的事物密不可分，它只是物体之间众多关系中的一个方面而已。从某种意义上讲，空间就像一个英文句子。谈论一个没有单词的句子是荒谬的。每个句子都有一个语法结构，该结构被包含于其中的单词与单词之间的关系定义，类似于主语-宾语或形容词-名词的关系等。如果我们把句子中所有的单词都去掉，那么不仅句子不复存在，什么都不存在了。此外，语法结构多种多样，对不同单词进行不同的排列，可形成不同的关系。没有一个绝对的句子结构能够独立于特定的单词而普适于所有的句子。

宇宙的几何学特征特别像英语句子的语法结构。如果没有单词之间的关系，语法结构和句子就不复存在。同理，如果没有宇宙中物体之间的关系，空间也就不复存在。如果你通过去掉一些单词或者调整单词的顺序来改变一个句子，句子的语法结构也就随之发生改变。同样，当宇宙中的物体彼此之间的关系发生改变时，空间几何也会随之改变。

综上所述，谈论一个空无一物的宇宙是荒谬的，和谈论一个没有单词的句子一样荒谬。而谈论一个只有一件东西的空间就显得更加荒谬了，因为那样的话，就没有任何关系来定义这个东西到底在什么位置。在这里，前文中的类比不再适用，因为确实有只含一个单词的句子存在。然而，我们通常会借助它与相邻句子的关系来弄明白只有一个单词的句子的意思。

认为空间独立于任何关系而存在的观点被称为绝对时空观。这是牛顿的观点，已被证实的爱因斯坦广义相对论的实验所证伪。随之便产生了根本性的影响，人们需要进行大量的思考才能够重新适应。然而，仍有不少专业物理学家坚持绝对时空观，他们坚持认为空间和时间具有绝对意义。

当然，空间的几何形状看上去确实不受周围运动物体的影响。当我从房间的一边走到另一边时，房间的几何形状似乎并没有改变。在我穿过房间之后，房间里的空间似乎与我开始运动前一样，仍然符合我们在学校里学过的欧几里得几何（Euclidean geometry）的规则。如果连欧几里得几何都不能很好地描述我们周围物体的规律，牛顿理论就更不可能了。但是，表面上的欧几里得空间几何，其实和地球表面看上去很平坦一样，是一种错觉。只有当我们看不见视界时，地球看起来才是平坦的。但当我们能看到足够远的地方，如在飞机上俯瞰大地或者眺望大海时，就可以很容易知道这是错误的。同样，你所在房间的几何形状似乎符合欧几里得几何的规则，只是因为这些规则的偏离非常小。但是如果你做了非常精确的测量，就会发现房间里三角形的内角之和不等于180度。而且，内角总和实际上取决于三角形和房间里的东西之间的关系。其实，如果测量足够精确，你就会发现，当你从房间的一边移动到另一边时，房间里所有三角形的几何形状都会发生改变。

也许每一门科学都有一个主要的理论来启迪人类，帮助我们了解自己是谁，在这里做什么。生物学教给我们自然选择（nature selection），正如它的倡导者理查德·道金斯（Richard Dawkins）⁽¹⁾和林恩·马古利斯（Lynn Margulies）曾经雄辩地教导我们的那样。我认为相对论和量子理论教给我们的是，世界只不过是一个不断发展的关系网络。虽然我的口才不足以让我成为相对论领域的道金斯或马古力斯，但我真的希望，读完这本书后，你们能逐渐认识到，空间和时间的关系图就像自然选择一样，不仅对科学，而且对如何认识我们是谁及我们如何在这个不断变化的关系世界中生存都有深刻的影响。

达尔文的理论告诉我们，人类的出现并非不可避免，宇宙中没有永恒的秩序规定人类必须存在。我们的进化历程比生活和社会中的一些细节更加复杂和不可预测，而那些细节我们还可以有所控制。世界从根本上说是一个不断发展的关系网络，这个事实说明，世界上的所有事物或多或少都是如此。宇宙没有固定的、永恒的框架来定义什么可能存在，什么可能不存在。除了我们所看到的，除了它特殊的历史之外没有其他背景，世界的另一边没有任何东西。

这种关系空间的观点由来已久。早在18世纪，哲学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）就宣称牛顿的物理学有致命的缺陷，因为它建立在一种逻辑并不完美的绝对时空观之上。还有一些哲学家和科学家，如19世纪末在维也纳工作的厄恩斯特·马赫（Ernst Mach），也是关系空间观点的拥护者。爱因斯坦的广义相对论正是这种观点的直接产物。

令人困惑的是，爱因斯坦的广义相对论可以自洽地描述不包含任何物质的宇宙。但这会使人觉得该理论不具有相关性，因为有空间，空间里却没有物质，就不能够定义空间里的物质之间的关系。这种认知是错误的，错误之处在于认为定义空间的关系必须存在于物质粒子之间。而事实上，从19世纪中叶起人们就知道，世界并不仅仅是由粒子组成的。另有一个相反的观点认为，世界也是由场组成的，该观点奠定了20世纪物理学的基础。场是在空间中不断变化的量，如电场。

电场通常被可视化为围绕场源物体的力线网络（如图1-1所示）。称其为场是因为存在通过每一点的力线，不像等高线图，只画出一定间隔的线。我们把带电粒子放在电场中的任何一点，它都会受到一个力，这个力推动它沿着穿过该点的电场线运动。

广义相对论是场理论，所涉及的场被称为引力场。引力场比电场更复杂，并且被可视化为更复杂的场线集合（如图1-2所示），它需要三组线条来表达。我们可以想象它们有不同的颜色，比如红色、蓝色和绿色。因为有三组场线，所以引力场定义了一个关系网络，即三组场线如何彼此连接。例如，三种场线中的一种绕另一种打了多少个结，人们可以基于此去描述这些关系。

空间中的点本身是不存在的，点的唯一含义是我们基于三组场线之间的关系网络中的某一特定属性所起的名称。

事实上，这些关系就是引力场的全部。以相同方式连接和缠结的两组场线定义了相同的关系，准确地说，是定义了相同的物理状态（如图1-3所示）。这就是为什么我们把广义相对论称为关联理论。

这是广义相对论和其他理论，如电场理论的重要区别之一。电场理论假定点是具有实际意义的，对于给定的某个点，场线通过的方向问题是有意义的。因此，两组相同的电场线仅其中一组向左移动一米（如图1-4所示），就可以用来描述不同的物理状态。运用广义相对论的物理学家必须以相反的方式工作。如果不能通过一些场线的特点来辨别一个点，他们就不能谈论这个点。广义相对论中的所有论述都是关于场线之间的关系的。

人们可能会问，为什么不固定场线的关系网络，从而以其为基础定义其他所有东西？原因是关系网络会随着时间的变化而变化。除了少数与现实世界无关的理想化例子，在广义相对论描述的所有世界中，场线的关系网络都在不断变化。

关于空间的问题上文已经做了详尽的解释，现在我们谈谈时间问题。牛顿理论认为，时间具有绝对的意义。它从无限的过去流向无限的未来，在宇宙的任何地方都一样，与实际发生的事物没有任何关系。变化是以时间为单位来衡量的，但时间是超越宇宙中任何特定变化过程而存在的。

在20世纪，科学家认识到，这种时间观和牛顿的绝对空间观一样，都是错误的。现在我们知道，时间也没有绝对的意义。没有变化就没有时间。时间不可能独立于不断变化的关系网络之外存在。所以，人们不能在绝对意义上问，事物的变化速度有多快，因为我们只能得到一个过程相对于另一过程的速度。时间只能依据描述空间的关系网络的变化来进行描述。

这意味着，在广义相对论中，谈论一个什么都没有发生的宇宙是荒谬的。时间只不过是变化的度量衡，因为它没有别的意义。在构成宇宙的不断演化的关系体系之外，空间和时间都不会存在。物理学家把广义相对论的这一特征称为背景独立。

也就是说，没有固定的背景或阶段可以永远保持不变。相反，像牛顿力学或电磁学这样的理论是依赖背景的，因为它通过假定存在一个固定不变的背景，来为所有关于时间、空间的问题给出终极答案。

构建量子引力理论之所以需要花费这么长时间，其中一个重要的原因是以前所有的量子理论都是背景依赖的。事实证明，构建一个背景独立的量子理论是相当具有挑战性的。在这种量子理论的数学结构中，除了通过关系网络来确认的点，对“点”这一概念并无提及。在20世纪最后15年中，在空间和时间只不过是关系网络的共识下，由量子理论描述的世界终于被构建出来。由此产生的理论即圈量子引力理论，这是研究量子引力理论的三条道路之一。在此之前，我们还得探讨宇宙之外没有任何东西这一原则的其他含义。