如果你想创造一颗恒星，就从规则开始。这是我给罗切斯特大学博士生们的建议。我们使用先进的超级计算机和编程，模拟引力、辐射和磁场之间复杂的相互作用，这些构成了太阳这类恒星的生命。我们的目标是更好地理解恒星如何诞生、衰老和死亡。从根本上说，我们从已知的物理定律开始，并沿着它们指引的方向前进。隐含的理解是，自然的规则是永恒的、不可打破的，并且支配着一切。正如阿尔伯特·爱因斯坦曾说过的，学会阅读物理定律就像阅读上帝的思想。
这种思维自艾萨克·牛顿于1687年提出万有引力定律以来，一直激励着物理学界的许多事业：一套定律同时适用于天上和人间。这一思想在一个世纪前完全扎根，当时爱因斯坦发展了他的广义相对论。他认为，如果我们足够努力，最终将找到支撑整个宇宙的优雅而简单的规则。物理学家们一直将其视为一项信仰：只要我们足够聪明地去寻找，那些基础定律就一定会存在。对这种终极真理的执着追求带来了许多伟大的发现，但最近它开始显得像是一个未兑现的承诺。
问题在于，物理学似乎没有将我们引向解决，而是带入了一个越来越奇怪的《爱丽丝梦游仙境》般的世界，每一个理论都比前一个更远离我们日常世界的经验。近年来，宇宙学家们提出，我们的宇宙仅仅是无数个从量子泡沫中不断涌现的宇宙之一。理论物理学家们研究了弦论的奇异数学，该理论暗示除了我们已知的四个维度之外，还存在七个额外维度。实验物理学家们建造了耗资100亿美元的大型强子对撞机，部分原因是为了理解为什么我们只能观测到我们的物质理论所预测的一部分。
如果科学家们不得不臆想出从未有人见过的维度和可能永远找不到的宇宙，也许这表明我们正在走入死胡同。一些叛逆的物理学家现在正在问：如果我们真的越来越接近了解自然界不变的定律，为什么我们每向前一步似乎只会让我们更深入兔子洞？
主流的回应是，科学就是这样运作的。每个答案都应该引出新的问题。大多数物理学家，无疑，仍然坚持一种优雅的统一愿景——那个久已承诺的“万有理论”——他们准备好等待50年左右才能实现它。然而，异议者开始对这种方法产生疑问。如果我们要如此多地依赖信仰，我们是不是更像牧师而不是科学家？也许，这些反叛者争辩说，我们的基本假设正在误导我们。也许我们这些年一直追求的那些不变法则，毕竟并非那么不变。难道我们一直以来都把某种基本事物的存在视为理所当然，就像早期科学家把上帝的存在视为理所当然一样吗？
目前，这些怀疑者为数不多。这里介绍的四位科学家代表着独特的少数派观点。但也许是时候听听他们要说些什么了。他们很可能错了——但如果他们是对的，那将开启自苹果落在牛顿头上以来物理学界最大的一次颠覆。
杀死时间的人
安德烈亚斯·阿尔布雷希特（Andreas Albrecht）一开始并非有意挑战现有体系。他的父亲是一名化学家，安德烈亚斯最初是在餐桌上对物理学产生浓厚兴趣的。他记得读一本高中教材，讲到原子，偶然发现了一个关于量子理论的附录。“我就是喜欢那种我们所见之物背后有更深层规律的想法，”他说。他后来在康奈尔大学和宾夕法尼亚大学学习物理，对早期宇宙特别感兴趣。他对物理学作为探寻自然界不变法则的追求没有任何异议——直到他遇到了一个他称之为时钟模糊性的悖论。
在我们的日常经验中，我们倾向于将时间的流逝视为理所当然。如果我们想知道自己在工作中拖延了多久，我们会瞥一眼时钟，然后意识到一个小时已经过去了。然而，在大爆炸之后紧接着的短暂瞬间里，没有墙壁，也没有钟表可以挂在上面：宇宙绝非寻常。阿尔布雷希特，现在是加州大学戴维斯分校的物理学教授，当时正试图理解宇宙诞生后仅仅万亿分之一秒时，这个幼年宇宙中发生了什么。为了弄清楚正在发生的事情，他需要一个时钟，或者某种可以充当时钟的东西——某种规律出现的现象，比如水龙头滴水、钟摆的摆动，或者石英晶体的振荡。
阿尔布雷希特当然没有做真正的实验。要再现创世之初的这些条件，需要一个直径1200光年的对撞机。相反，他所尝试的是对我学生和我计算恒星运动时所做的事情进行推断。我们将时间代入方程，让作用于恒星的力按照物理定律规定的方式展开。由于阿尔布雷希特感兴趣的是整个宇宙被压缩到一个葡萄柚大小空间的时间，他不得不严重依赖量子力学方程，这些方程适用于极小的尺度。然而，当他试图以线性方式讲述一个故事时，这些方程变得令人困惑。他写在纸上的方程以任何一个未来实际发生的概率来描述早期宇宙所有可能的未来。他意识到，没有一个时钟，就没有明确的方法来得出一个单一的、嘀嗒作响的事件展开版本。
为了解决这个问题，阿尔布雷希特试图操纵量子宇宙学方程，以隔离时间维度。这让他陷入了一个尴尬的境地：不得不解除时间和空间的统一，而这正是爱因斯坦广义相对论的一项关键成就。将时间从方程中剥离似乎让所有其他一切都解体了，阿尔布雷希特发现他的模型在他手中崩溃。每次他试图拼凑一个时钟，方程都会把他引向一个完全不同类型的宇宙。在一个宇宙中，质子不存在。在另一些宇宙中，一个粒子上的作用会对相邻粒子产生奇怪的影响。例如，将一个大理石掉到地板上可能会导致一次超新星规模的爆炸。
“我称之为时钟模糊性，”阿尔布雷希特说，“基本上，选择不同的时钟会导致不同类型的物理学。根据我选择的时钟，我得到了完全不同类型的宇宙。”
这并非阿尔布雷希特所期望或希望的。他曾期望量子宇宙学能够精确地告诉他，我们所居住的宇宙为何是现在这个样子。时钟模糊性的发现似乎阻碍了这条道路。在他看来，量子宇宙学永远无法预测宇宙历史的进程，因为决定这段历史的定律永远无法事先明确。少数物理学家挑战了这一激进观点，但许多人也和他一样感到困惑。“我发现的似乎很疯狂，”他说，“这意味着基本的物理定律并非基本。”
阿尔布雷希特的沮丧是可以理解的。时钟模糊性不仅违背了牛顿关于普适定律的信念，更违背了对定律本身更为根深蒂固的信仰——即自然受可以用数学术语描述的永恒规则引导的观念。2500年前，毕达哥拉斯（以著名的三角形定理闻名）曾说：“万物皆数。”柏拉图相信存在一个“理想形式”的领域。当牛顿写下一个方程，既描述苹果的坠落又描述行星的运动时，他已经在沿袭一个古老的传统。
这个传统在20世纪早期受到了威胁，当时物理学家们意识到广义相对论和量子力学——描述世界的两种主要方式——在关键方面互不兼容。这些理论在早期宇宙中表现出最显著的崩溃，当时一切都被压缩在一个狭小的空间里。突然间，极小尺度（量子力学）和极大尺度（相对论）的领域重叠了。你需要使用量子力学来描述物理现象，但这些方程不包括引力。
调和量子和相对论世界观的探索已经占据了物理学界数十载。目前，弦理论似乎是前进中最有希望的途径。在这种设想中，物质由极其微小的振动弦构成，这些弦存在于一个11维的时空中。许多弦理论家认为，通过这种表述，有可能提出一套描述从大爆炸至今宇宙的定律。然而，到目前为止，还没有任何一个版本的弦理论能提供一致或完整的答案。
没有既定地图，研究人员必须分块探索这片领域。正是在探索这些中间领域时，阿尔布雷希特偶然发现了他的时钟模糊性，这可能揭示了一个致命的缺陷：即使弦理论可行，如何用它来预测将从其规则中展开的宇宙类型也不清楚。这远非针对物理学家们构建现实宏大理论的主要努力的唯一异议。
弦理论的杀手
像阿尔布雷希特，以及几乎所有其他物理学家一样，安大略滑铁卢圆周理论物理研究所的李·斯莫林（Lee Smolin）最初是永恒定律的忠实信徒。在1980年代，他曾从事过一些弦理论的研究。他还发展了自己的多元宇宙版本，其中每个黑洞都会在其中心生成一个新的宇宙。这为他的宇宙观引入了达尔文式的自然选择：特定类型的宇宙是否增殖取决于其适应性。擅长制造黑洞的宇宙会繁荣；他总结说，我们生活在这样一个宇宙中并非巧合。
当斯莫林发展这一概念时，他对弦理论开始产生疑虑，该理论已成为理论物理学正统观念的主导。他2006年的著作《物理学的困境》是对这种正统观念的严厉抨击。他对弦理论的主要不满是它可能导向任何地方。它并非收敛于一套单一的定律——即我们能够观察到的定律——而是开启了大量无法验证的新可能性。这让斯莫林感到，这是一种危险地偏离可证伪实验物理学的做法。他认为，如果我们真的想理解宇宙的基本定律，我们必须寻找更深层的解释，而不是忽视近在眼前的事物。而要做到这一点，我们可能不得不放弃对永恒定律观念的执着。
斯莫林特别反对当今物理学的两个信条：一是我们所知的时间源于某些更深层的法则，例如阿尔布雷希特所研究的量子宇宙学方程；二是我们的宇宙只是众多宇宙之一的信念。
所谓的多元宇宙理论的出现，和弦理论一样，是为了解释宇宙学中一些令人不安的谜团。麻烦始于科学家们开始接受暴胀理论，这是美国物理学家艾伦·古斯和他的苏联同行安德烈·林德在1980年代早期提出的理论。暴胀理论认为，大爆炸后不久，一小片时空经历了极其快速的膨胀，最终形成了我们周围所见的宇宙：一个星系相互远离的宇宙。该理论开启了其他时空块也经历了自身暴胀的可能性，从而创造了无数的“口袋宇宙”。
最终，这个想法发展成了现在所知的多元宇宙理论，即我们的可观测宇宙只是无数个宇宙领域中的一个，每个领域都有其自身版本的物理定律。在这种观点下，没有必要解释为什么我们的宇宙拥有一套特定的物理定律，因为在某个地方存在着一个对应每种可能集合的口袋宇宙。
斯莫林不喜欢当今物理学和宇宙学的一些形而上学色彩，但他主要出于技术原因拒绝物理学中的隐藏维度和宇宙学中的多重宇宙方法。例如，他认为量子宇宙学中存在问题——阿尔布雷希特也曾遇到过这类问题。这些技术上的异议让斯莫林感到不安，觉得物理学的核心有些腐朽。
当他遇到哈佛法学院教授罗伯托·芒加贝拉·昂格尔（Roberto Mangabeira Unger）时，这种感觉开始变得更加具体。斯莫林曾受邀参加一个会议（关于艺术和批判理论），正在犹豫是否前往，这时他看到了昂格尔的名字在嘉宾名单上。斯莫林此前就知道昂格尔的工作，对此很感兴趣。一位共同的朋友让他们取得了联系，在几次关于多元宇宙和时间本质的电话交谈中，他们意识到彼此在怀疑论上是灵魂伴侣。几年后，应昂格尔的建议，斯莫林在圆周研究所组织了一个名为“演化定律”的研讨会，并邀请昂格尔前来与小组讨论。现在，两位学者正在合作撰写一本书，名为《时间与宇宙学定律的本质》（The Reality of Time and the Nature of Cosmological Laws）。
作为一名非科学家，昂格尔从哲学的角度来处理这个问题。他认为，包含隐藏维度和替代宇宙的理论，根本就不是理论，而是寓言。它们无法通过任何实验或观测来检验。弦理论无法在一个只有四个维度的世界中运作。作为回应，弦理论家们假设了七个我们看不见的额外维度的存在。当然，没有人观测到这些额外的空间维度，更糟糕的是，这种观测是否可能尚不清楚。弦理论的方程预测，这些维度如何配置有难以想象的多种可能性——大约是10的500次方。仅仅数完它们所需的时间就比自大爆炸以来所流逝的时间还要长。
多元宇宙理论的实验基础同样摇摇欲坠。其他出现的宇宙都永远无法被看到，因为我们与它们之间的空间将以超光速膨胀。
昂格尔总结说，弦理论和多元宇宙理论与其说解释了自然的奥秘，不如说它们解释掉了这些奥秘。“当我们把我们的宇宙想象成众多可能世界中的一个时，我们贬低了这个世界，这个我们看到的，我们应该努力解释的世界，”他说，“科学家应该珍视那些他无法解决的谜团，而不是一开始就将它们解释掉。”
昂格尔和斯莫林希望将物理学的重点从这些可能的世界转移回我们这个充满时间的真实世界。他们敦促同事们放弃对弦理论等永恒真理的探索。
更广泛地说，他们认为物理学应避免提出任何需要存在无法被证伪的事物（例如多元宇宙）的理论。它应该认识到，并不存在一个完美的、永恒的数学形式的理想领域来体现物理定律。时间是宇宙固有的，没有什么存在于时间之外。斯莫林认为，阿尔布雷希特（Albrecht）的“时钟模糊性”是当前物理学方法中更大问题的症结所在。
在斯莫林和昂格尔看来，为一种新型物理学建立方程可以稍后再说。目前，他们希望就首先探究这些方程的理由展开坦率的对话。只有一个充满时间的宇宙，物理学家将不得不修正他们对自然法则的看法。如果时间是真实的，那么宇宙中的一切都属于时间并受其支配。时间的本质是变化。我们称之为物理定律的东西也可能随时间而变化。历史将变得重要，即使在这门最严谨的科学中也是如此。
变革的推动者
理论生物学家斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）的优势在于，他从未受过物理学家世界观的熏陶。然而，作为一名理论家，他习惯于处理宏大的思想。考夫曼是麦克阿瑟“天才奖”获得者，他开创性地将复杂性理论应用于生命科学。他在新墨西哥州著名的圣达菲研究所居住了10年，在那里磨练了这些思想，最近又担任佛蒙特大学生物化学和数学教授。过去几年，考夫曼将注意力转向物理学，和斯莫林一样，他开始相信支撑宇宙的定律远非我们原以为的那些不变之物。但他涉足了连斯莫林都不敢涉足的领域。
考夫曼毫不犹豫地放弃了一个自伽利略时代以来一直主导科学的思想：一套物理定律足以预测现实的展开。这个思想的名字叫还原论——认为整体可以通过部分的可预测行为来理解。它是物理学家们坚信永恒、不变的定律从底层支配着宇宙的哲学基础。这种想法认为，理解夸克，其他一切都会随之而来。
“还原论的梦想，”考夫曼说，“是当一切尘埃落定后，科学将为我们提供一套相互关联的定律，从粒子物理学开始，一直贯穿生命，直到社会系统。”阿尔布雷希特的时钟模糊性和斯莫林对弦理论的批判，暴露了还原论的弱点。考夫曼开始相信还原论只能带我们走到某一步。只有超越它，我们才能看到宇宙隐藏的创造力。
这种创造力本质上是达尔文式的。考夫曼认为，生物进化为新奇事物（而非永恒定律）如何在宇宙学和物理学中发挥更大的作用提供了一个有力的模型。如果生物圈的法则随时间演化，为什么宇宙的法则不能呢？正如生物学中的进化有利于从简单到复杂的改变，也许进化也使宇宙从早期相对简单，发展到我们现代宇宙的全部辉煌，展现出其令人眼花缭乱的复杂性。
国际象棋是理解物理定律可能如何变化的另一个有用比喻。国际象棋有其规则，大多数人玩的时候，这些规则是固定的，就像物理定律被假定是固定的一样。但国际象棋在公元六世纪首次在印度被发明时，是一种不同的游戏。当欧洲人在15世纪采纳这项游戏时，他们重新命名了棋子，并修改了规则以适应自己。最终，国际象棋演变成了我们现在所知的复杂精妙的游戏。以类似的方式，时空定律可能以某种方式开始，并随着时间推移而改变，直到宇宙稳定成我们现在所知的样子。
我们现在没有看到变化发生——也许是因为宇宙的定律已经达到了停滞点，或者也许是因为它们正在非常缓慢地变化。但这个想法在理论上应该是可测试的。我们应该能够回溯到早期宇宙，测量物理定律的变化。我们可能已经有了一些这样的证据。通过测量遥远类星体发出的辐射，科学家们推测，定义电子与原子核结合紧密程度的物理常数“阿尔法”在早期宇宙中可能略有不同。这些观测是初步的，部分原因是科学家们尚未寻找定律变化的迹象。考夫曼建议，至少我们应该更密切地审视这种可能性。
将进化模型扩展到物理学意味着探索这样一种观念：物理定律可能经历了一段时间的演化，然后才固定下来。或者它们现在可能仍在演化。在生物学中，存在着约束和规则来指导生物圈的行为，这些规则随着时间出现，并在此过程中为进化的下一步奠定基础。“通过这种方式，生物圈构建了它自身，”考夫曼说，“也许宇宙也以类似的方式运作，筛选了各种不同的定律，才形成了我们今天所看到的景象。”
物理学家们往往对考夫曼的宇宙观感到排斥，因为他认为宇宙源于无数任意的定律，而我们所见的宇宙在结构和行为上却显得异常规律。但考夫曼指出，我们现在看到的定律可能只是那些允许我们在此观察的定律。“记住，在进化中，我们只看到赢家，”他说，“其他一切都消失了。”他的想法与斯莫林的观点有异曲同工之妙，即宇宙可以在其他宇宙中诞生并演化，某些类型的物理定律之所以占据主导地位，是因为它们在产生一个复杂宇宙方面更成功。
考夫曼的推理听起来可能像人择原理——宇宙学中一个有争议的观点，认为唯一可能的物理定律就是那些允许我们在此观察它们的定律——但这两个想法在根本上有所不同。人择原理假设存在无数个宇宙，每个宇宙都有其自身不变的定律，并声称我们很幸运地处于一个为生命而精心调整的宇宙中。考夫曼相信只有一个宇宙，其定律已经朝着允许生命存在的复杂性演化。我们不必追溯到起点来推理，而是必须深入探究我们宇宙的历史，一步一步地弄清它是如何演化成现在这种形式的。
从考夫曼的角度来看，从牛顿到爱因斯坦再到最新的弦理论实践者，可能都错了方向，而长期寻求的万有理论可能不过是痴心妄想。“关键是，”他说，“可能根本就没有永恒的定律可供逆向推理。”
