一个真正的宇宙学理论

一个真正的宇宙学理论

一个真正的宇宙学理论究竟要满足哪些条件呢？

●新宇宙学理论必须涵盖我们已经获得的知识。我们需要将广义相对论、量子力学、标准模型等现有理论加入未知的新理论之中。它们将成为新宇宙学理论在亚宇宙尺度和亚宇宙时间下的近似。

●新宇宙学理论必须满足科学的基本原则。真正的科学解释必须向人们展示许多预期之外的结果，这样才能证明其有效性。如果做不到这一点，不管故事讲得多好，都是胡编乱造。一个真正的科学理论必须给出可被验证的预言。

●新宇宙学理论必须回答“为什么是这些定律”的问题。它必须帮助我们深入了解标准模型中的粒子和力的由来。尤为重要的是，它必须解释宇宙中的基本参数的由来，这些基本参数包括标准模型中粒子的质量和力的强度，它们的给定数值往往显得难以琢磨、非常特殊。

●新宇宙的问题学理论必须回答“为什么是这些初始条件”的问题。在同样的自然规律下，较之其他可能的宇宙，我们的宇宙可能因为特殊的初始条件而获得了特殊的性质。新的理论必须对这一点作出解释。

以上就是一个真正的宇宙学理论需要满足的基本要求。鉴于我们在讨论一个关于整个宇宙的新理论，我们还要以史为鉴，从过往物理学先驱的集体智慧中提炼更多的要求。^[1]就让我们再回头看看开普勒、伽利略、牛顿、莱布尼茨、马赫、爱因斯坦等伟人当年的手稿，看看他们是如何从反对声中提出新理论的。以下便是我在回顾过往时学到的教训。

新宇宙学理论要解释我们这个宇宙的特征，这些解释所依赖的事物必须存在或发生于宇宙之内。解释过程的任何环节都不能跑到宇宙之外，也就是说，新理论必须满足“解释的自给自足性”（principle of explanatory closure）。

要想满足科学性，新宇宙学理论其实不需要对每一个问题都给出精准的答案，但它要对大量的问题给出前瞻性的方向。当我们掌握宇宙的更多细节时，我们就能回答这些问题。莱布尼茨的充分理由律认为，任何形如“宇宙为什么有这样的特征”的问题必然存在一个答案。对于一个新的科学理论来说，一个重要的测试标准就是，它能否增加我们可能回答的问题的数目。如果我们解释了早先理论无法解释的宇宙特征，物理学就取得了进步。

莱布尼茨的充分理由律带给宇宙学理论一些额外的要求。其中之一是，宇宙之中，事物不可能只作用于其他事物而自身不受影响。所有的影响、所有的力都是相互的。我们将此称为“单向作用的不存在性”（principle of no unreciprocated actions）。在将牛顿引力理论替换成广义相对论的过程当中，爱因斯坦使用了这一原则。他指出，牛顿的绝对空间指引着物体的运动，物体却无法影响绝对时空，两者间的作用不是双向的，绝对时空是绝对不变的。而在爱因斯坦的广义相对论中，物质和时空几何的作用是双向的：时空几何告诉物质如何运动，物质反过来影响时空的曲率。类似地，牛顿的绝对时间也是绝对不变的。在牛顿的假想中，不管宇宙有没有物质，时间都以固定速率流动。而在广义相对论中，物质的出现能改变时间的速率。

以上原则禁止固定背景结构出现在新理论中。因为这些固定背景结构不随时间而变，也不随物质的运动而变。

这些固定背景结构如同物理学的潜意识，潜移默化地改变了我们对自然世界基本概念的思考。我们会说我们知道某个“位置”，这是因为在潜意识中，我们认定某个绝对参照系的存在。在物理学的前进道路上，许多重要步骤就是基于识别这些固定背景结构，再将它们替换为宇宙之内就有的动态因素。恩斯特·马赫在反驳牛顿时空观时就是这么做的。他认为，我们在转圈时感觉头晕，并不是因为我们相对于绝对空间运动，而是因为我们相对于宇宙中的其他物质运动。

如果我们坚持双向作用、排除固定背景结构，这等同于在说，宇宙之中的每个个体都是动态的，都是与其他个体相互作用的。这便是莱布尼茨关系主义的精髓（请回想一下第3章中我们就“位置”含义的讨论）。我们可以进一步拓展这一观点，要求新宇宙学理论的每一个性质都反映动态个体间的相互作用。