不完美的有效理论

相对论、量子力学、标准模型——这些理论都是20世纪物理学的伟大发现，它们代表了物理学的最高成就。它们的数学表达十分优美，给出了精确的实验预言。同时，无数实验观测在极高的精度下证实了它们的存在。但在前一章中，我却声称这些理论都不足以充当物理学终极理论，在它们的万丈光芒之前，这可是个鲁莽的断言。

为了支持自己的说法，我要指出这些著名物理理论的一个共同特征，正是这个特征使得它们难以外推至整个宇宙。这些理论都将世界分为两个部分，一部分随着时间变化，另一部分则假设固定不变。前一部分正是有待研究的系统，它的自由度随时间而变；后一部分正是系统之外的宇宙，我们称它为“背景”。

很多时候，我们不会明确指出背景的存在，但它的确在那里。正是因为它的存在，前一部分世界中的运动才会有意义。即使不直接挑明，当谈论距离时，我们总是需要一个固定的参照物和一把尺子来进行度量；当谈论时间时，我们总是需要一口系统外的时钟来读取时间。

正如我们在第3章接物游戏中看到的那样，仅当丹尼这个固定参照物存在时，谈论球的位置才有物理意义。想要定义球的运动，我们还需要一个以固定速率运行的时钟。无论是丹尼还是时钟，两者都处在球这个系统之外，无法被球的位形空间描述。我们假设两者始终保持静态，如果没有这些固定的参照物，我们不知如何联系理论的预言和实验的记录。

将世界划分为动态部分和静态部分是一种人为划分，在宇宙局部系统的研究中，这一划分也是极为有用的。在真实世界中，静态部分往往由系统之外的许多动态部分组成。我们忽略了这些部分的运动及演化，从而构建了一个发现简单物理定律的有效框架。

对广义相对论以外的许多理论而言，固定的背景中包含了时间和空间的几何结构。它还包含了物理定律的选取，因为这些定律同样不随时间而变。在广义相对论之中，尽管时空的几何得到了动态描述，理论还是假设了一些固定的结构，比如固定的空间拓扑以及固定的空间维度。^[1]

我们将世界一分为二，一部分动态，一部分静态。静态部分支撑动态部分，为我们提供描述静态部分所需的一切。这一方法成就了牛顿范式，但它同时也显示出，牛顿范式不适用于整个宇宙。

当将这样的方法推广至整个宇宙时，我们遭遇了一个挑战。要研究整个宇宙，那整个宇宙都是动态部分。而在宇宙之外，没有任何东西存在，也就没有任何东西可以充当静态背景，没有任何固定参照物可供我们测量宇宙中的运动。有没有一种方法可以克服这一阻碍呢？我将其称为“宇宙学挑战”。