时空大变革

借由广义相对论，爱因斯坦发动了一场对时间和空间概念的大变革。

在牛顿力学中，空间的几何是固定而不变的。理论假设空间的几何是三维欧氏的。这里我们可以看到，牛顿力学中的空间和物质是多么不对等：空间可以“命令”物体如何运动，但空间本身永远不变，二者从不互动。物体如何运动、运动与否对空间毫无影响。甚至可以说，即使世界空无一物，空间依然还是那样。

在广义相对论中，这种不对等得到了修正：空间变得动态了。物质影响着几何的改变，几何影响着物质的运动。几何变成了诸如电磁场之类的物理概念。这样看来，描述时空动力学的爱因斯坦方程和其他物理方程别无二致：它们都被用以描述物理学现象的性质，以及它们之间的相互关系。

如果广义相对论中时空的几何被永久性地固定，我们就会说其时间和空间是绝对的。这同牛顿提出的绝对空间和永恒时间仅存在细微的差别。而动态的几何、几何和物质分布间的相互影响，正是莱布尼茨相对时间和相对空间理论的具体实现。

在理论化相对时间和相对空间的过程中，爱因斯坦受到了奥地利物理学家、生理学家、哲学家恩斯特·马赫（Ernst Mach）的指引。马赫提出了我们现在所称的“马赫原理”（Mach’s principle）。这一原理声称，只有相对运动才是物理的。我们之所以因为旋转而感觉晕眩，一定是因为我们相对着遥远星系在旋转；当我们静止不动，换成整个宇宙围绕我们旋转时，我们会感受到同样的晕眩。

以上是广义相对论比较激进的地方，但这个理论还是有保守的一面，它依然隶属于牛顿范式。所有可能的几何位形和物质位形，加在一起形成了一个更大的位形空间。给定初始条件，爱因斯坦方程决定了时空几何的未来，也决定了时空中的物质、辐射等一切事物的未来。

在广义相对论中，时空的整段历史仍然通过数学对象加以表示。诚然，广义相对论中的时空所对应的数学对象，比牛顿力学的三维欧氏空间要复杂得多。然而在块状宇宙看来，它们依然存在于时间之外，没有过去或未来的区别，对我们认识当下完全不起作用。

在打击时间的物理性上，广义相对论还有最后一击。认为时间真实、基础的观点往往暗示时间不能有起点。如果时间有起点，那么这一起点一定能被时间之外的某个概念加以解释。如果时间确实可以被某种独立于时间的概念加以解释，那么时间就不是基本的，它可能由更为基本的概念演生而来。现实是，在所有成功描述宇宙的广义相对论方程解中，时间总是有起点。

1916年，在广义相对论发表还不到一年的时候，爱因斯坦开始将它应用于整个宇宙。他想象中的宇宙是球壳般有限却没有边界的。这是影响深远的一步：第一次有人将整个宇宙视作有限、自给自足的系统。宇宙就只有这么大，没有任何办法到外面去；“宇宙之外”毫无意义。

为了使宇宙封闭，爱因斯坦假设任何用于测量时间的时钟都在系统之内。他之所以能做到这一点，归因于广义相对论的一个新特征，即我们可以随意选取时钟测量时间、随意选取尺子测量空间。无论对时间和空间的测量是多么混乱，广义相对论方程依然运作良好。由此，我们不再需要通过系统外的特别时钟测量时间。^[12]将选取系统外时钟的必要性取消，意味着广义相对论朝着相对关系理论的方向前进了一大步，但它依然基于牛顿范式。具体来说，它可以被描述为，不随时间而变的物理定律作用于不随时间而变的位形空间。

起初，爱因斯坦在寻求一个有限空间且永恒不变的宇宙模型。我一直认为在原创性上，爱因斯坦在物理学家中无出其右。可这里，他的想象力却稍显匮乏：在他的设想中，宇宙静止且永恒。爱因斯坦并未考虑其他可能性，永恒静止的宇宙存在一个问题。万有引力使得物质相互吸引，最终将它们聚在一块。这意味着，如果引力作用于整个宇宙，就会导致宇宙的收缩。假设宇宙在膨胀，引力将使得膨胀变慢；假设宇宙既不收缩也不膨胀，引力会使它开始收缩。由此，爱因斯坦本应该这样预测：随着时间流逝，宇宙要么膨胀要么收缩。但是，爱因斯坦希望寻求一个静态宇宙，为此他修改了广义相对论。这导致了一个意料之外的发现，这一发现直到最近才被实验所确认。

为了平衡引力导致的收缩，爱因斯坦在公式中加入了一个新的项，以使宇宙可以膨胀。这一项包含一个新的自然常数，用以表征真空中的能量密度，爱因斯坦称之为宇宙学常数（cosmological constant）。最近对宇宙加速膨胀的观测有力地支持了宇宙学常数的存在。对于宇宙加速膨胀的成因，一个更为一般性的名字是暗能量（dark energy），当暗能量在宇宙的任何地方、任何时间均为常数时，它就能被描述为爱因斯坦的宇宙学常数。目前为止的观测与常数假设相符，不过许多宇宙学理论都要求，暗能量最终要有一些改变。

我认为爱因斯坦并没有预见到他的常数有朝一日能够被实验观测，可它确实被观测到了。宇宙学常数的实测结果非常非常小——这引发了巨大的结果。宇宙学常数极小，你需要将它在宇宙各处的效应相互叠加。这使得宇宙受制于两种截然相反的力：物质的引力使得宇宙收缩，宇宙学常数使得宇宙加速膨胀。

在爱因斯坦的静态宇宙中，这两种力相互平衡。但还有一个问题：这种平衡并不稳定。对静态宇宙稍作扰动，它就立即会开始永远的收缩或永远的膨胀。宇宙拥有大量运动着的恒星、黑洞、引力波，它们都可以对宇宙产生足够多的扰动。想要长时间使宇宙处于静态，并不可能。

从以上讨论中，我们得出一个令人震惊的结论：宇宙一定拥有历史，它可以膨胀、可以收缩，但不会永远静止不变。20世纪20年代，多位天文学家和物理学家发现了广义相对论方程的其他解，这些解对应于膨胀的宇宙。极为幸运的是，天文学家爱德文·哈勃（Edwin Hubble）在1927年发现了宇宙膨胀的证据——宇宙膨胀意味着宇宙一定有一个起点。事实上，任何膨胀宇宙模型都预言了宇宙的原初时刻。

这些解最早由亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）、罗伯逊（H.P.Robertson）、阿瑟·沃克（Arthur Walker）和乔治·勒梅特（Georges Lemaître）提出，因此我们称之为FRWL宇宙模型。FRWL宇宙模型非常简单，它假设宇宙处处相同，具体来说是假设宇宙各处的物质和辐射密度相同。在FRWL宇宙模型中，宇宙的起始时间、宇宙物质和辐射的密度趋于无穷，引力场的强度也趋于无穷，在那一刻，宇宙是一个奇点。广义相对论在那一点上不再适用，它无法借由此刻的条件推演出未来。正是这些无穷的出现使得广义相对论方程失效了。

大多数物理学家认为广义相对论方程之所以失效，是因为所研究的宇宙模型还是过于简单。他们认为，如果在模型中加入更多细节，比如，加入存在于宇宙局部的恒星、星系、引力波等特征，原初奇点可以被彻底消除，我们可以回溯到奇点之前的时间。在超级计算机出现之前，彻底研究相对论方程的解是一项不可能的工作，因而验证以上假说非常困难。换句话说，以上假说几十年来一直没有被物理学家抛弃的原因，正是因为它很难被检验。然而最终，这一假说还是被证明是错误的。20世纪60年代，伟大的宇宙学家、物理学家史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯证明，任何可以用于描述宇宙的广义相对论解都存在奇点。

如果广义相对论真是我们这个宇宙的正确描述，那么我们不得不得出这样的结论：时间不是基本的。否则，我们会遭遇一系列尴尬的问题，比如，时间开始之前发生了什么？什么产生了宇宙？我们还会遭遇一类更为复杂的问题，它们有关于永恒的物理定律：如果物理定律真独立于时间的话，那么在宇宙开始之前，这些规律到底在支配什么？很明显，我们不得不说，宇宙开始之前就没有时间。这也意味着较之时间，物理定律源自这个世界更深的层面。

在一些广义相对论方程的解中，宇宙无限膨胀、无限稀释，在这些宇宙中，时间是没有尽头的。然而在另一些解中，宇宙在膨胀到极大值之后开始坍缩，直至大挤压（Big Crunch）。大挤压之时，许多可观测量又一次趋于无穷。这些宇宙中的时间存在尽头，时间的起始与终结对于块状宇宙图景完全不成问题。在这一图景中，唯一的现实是将宇宙的全部历史当作一个独立于时间的整体。时间有始有终，但不会削弱它的真实性。事实上，这些针对广义相对论宇宙模型存在时间奇点的研究，增强了块状宇宙观的说服力，因为它们发现，相较于物理定律，时间并不基本。

至此，我们走完了驱逐时间的旅途，我们将时间驱逐出物理学对于自然的描述。旅途的开始，我们同伽利略和笛卡儿一样，将物体运动状态图形化并将时间冻结，在图形化的过程中，时间变得像是另一维空间。在相对论理论中，这些运动的图形化升级为时空，时间的真实性受到了进一步打击。宇宙的整段历史是一幅独立于时间的图景，任何当下都不真实。块状宇宙观变成了我们唯一的选项。在这种时空观中，宇宙的全部历史是一个不随时间流逝而改变的整体。既然实验已经很好地证实了狭义相对论和广义相对论，那么我们这些物理学家就应当接受这样一个独立于时间的现实的存在。