04 宇宙学第四原则：宇宙是由过程构成的

想象一下，你正试图向某人解释为什么你如此迷恋你的新女友或新男友，而某人非常理智地让你描述你的新女友或新男友。为什么在这种场合下我们的努力显得如此不足？因为直觉告诉你，这个人有一些本质的东西吸引了你，但是很难用语言来表达。你描述他们的工作，他们的兴趣爱好，他们的样貌，他们的行为，但不知何故，所有这些似乎都不足以传递他们的真实情况。

或者想象一下，你陷入了一场关于文化和民族特色的无休止的讨论之中。显然，英国人和希腊人不同，而希腊人又和意大利人完全不像，但他们和英国人的区别是一样的。这里似乎有一些真实存在的原因，但是我们试图用语言来表达的尝试似乎并不成功。

对于这些困境，一个简单的解决办法是讲故事。如果我们要描述一个新朋友的生活，比起描述他们现在如何，不如描述他们在哪里出生、如何长大，他们的父母是谁以及如何抚养他们长大成人，他们在哪里读书、在过去的感情中发生了什么事，这样更能说明他们的情况。文化也是如此。只有对古代史和近代史都有所了解，我们才能领悟为什么世界不同地域的人存在差异。这可能显而易见，但为什么就该是这样呢？是什么让一个人或一种文化在不讲故事的情况下如此难以描述？因为我们所面对的并非事物，比如石头或开罐器之类的东西。这些东西在几十年里差不多都是一样的。它们被描述为静态物体，每个静态物体都有一些不变的属性。但是，当我们面对的是一个人或一种文化时，我们所面对的就是一个过程，并且这个过程不能被视为一个与其历史无关的静态物体。如果不知道它是如何变成这样的，那么它的现状我们也是无法理解的。

然而，为什么一个故事能够告诉我们的东西如此之多？难道讲故事的时候，我们传达了什么额外的信息？事实上，当讲述一个人的故事时，我们会讲述其生活中的一系列片段。这些片段能告诉我们很多信息，并能清晰地把这个人的信息与听到的和了解到的其他故事区别开来，因为我们坚信一个人成长过程中发生的事情会对他的现在造成影响。我们同时坚信，他们对有利的和不利的情况的真实反应才最能体现其性格，才能体现他们将来想做什么或想成为什么样的人。

然而，在叙事中承载信息的并不是事件本身。仅仅列出一系列事件是非常无聊的，并不能构成一个真正的故事。这也许就是安迪·沃霍尔（Andy Warhol）在他的电影《帝国大厦》中试图传达的东西。事件之间的关系构成了故事，这些关系可能被表达得非常清楚，但更多时候并不需要这样，因为我们几乎是在毫无意识的情况下在故事中植入了这些关系。我们之所以这样做，是因为相信过去的事件在某种程度上与未来的事件存在因果关系。我们可以针对一个人的经历会对其自身造成多大影响进行辩论，但不必做虔诚的决定论者，不必本能地相信因果关系，并实际地应用。正是这种对因果关系的理解使故事变得如此有用。谁对谁做了什么，什么时候做了什么，为什么做了什么，这些都是很有趣的描述，因为我们知道这些行为和事件可能导致什么后果。

想象一下，如果没有因果关系，我们的生活会是什么样子。假设世界的历史只不过是一些随机的事件，它们之间没有因果关系。事情就那么发生，什么影响也不会留下。家具、房子，所有的东西就都只是出现，然后消失。你能想象那会是什么样子吗？至少我想象不出，因为它和我们实际生活的世界完全不同。因果关系赋予了世界一个结构，解释了为什么今天早上椅子和桌子还在昨晚我们离开时所在的位置。也正是因为因果关系在塑造我们的世界中极其重要，故事相对于单纯的描述才能提供更多的信息。

所以，世界上似乎有两种类型的东西。一种是物体，如岩石和开罐器，用它们自身的一系列属性就能彻底解释清楚。而另一种是过程，过程只能通过讲故事来进行解释。对于过程，简单的描述远远不够。故事是对它们唯一充分的描述，因为像人和文化这样的实体并不是真正的事物，它们是随时间展开的过程。

举一个有关艺术的例子。找一部每个人都看过并喜爱的电影，并以每10秒钟一张的方式截取出一系列的剧照，然后把它们按顺序排列挂在一个大画廊里。请大家通过观看一张张剧照看完这部电影。这会令人感到愉快吗？答案当然是否定的，人们一开始可能会笑，但大多数人很快就会感到无聊。少数以这种方式看完整部电影的人，可能大部分是电影制作人和评论家，因为他们能够从中学到这部电影的拍摄技巧。对大多数人来说，一张剧照一张剧照地看一部电影是相当乏味的，即使这个过程比观看整部电影的时间要短。当然，当我们看一部电影时，我们实际上也是在看一系列静止的图像，只不过这些图像以很快的速度呈现，使我们产生了运动的错觉。有的解释说，这是静止图像的顺序切换所产生运动的错觉，但这并不完全正确。静止的图像本身才是错觉。因为世界永远不会静止，它总是在运动。摄影创造的错觉是凝固的时间。它既不符合现实，也不真实，因为任何照片都只是过程。图像看似静止，但组成图像的分子间一直在进行化学反应，再过几年，图像就会因分子间的种种化学过程而褪色。所以电影中发生的事情是运动和变化的真实世界通过一系列错觉重新创造出来的，而非相反的过程。

长期以来，人类似乎都会被自己阻止变化进行的能力所吸引。为什么绘画和雕塑如此迷人和珍贵？因为它们提供了时间停止的错觉。但时间是不会停止的。一个大理石雕塑可能每天看起来都一样，但事实并非如此：随着大理石与空气的相互作用，雕塑表面每天都会变得有些不同。正如佛罗伦萨人从污染对历史遗迹造成的破坏中学到很多东西一样，我们应该明白大理石不是惰性的东西，它始终处在不断的变化过程中。艺术家的任何技能都不能把一个过程变成一个事物，因为事物根本不存在，只有在人类的时间尺度上十分缓慢的过程。即使是那些看起来没有变化的东西，比如石头和开罐器，也有它们的故事。只是它们发生显著变化的时间尺度比其他大多数事物要长。地质学家和文化历史学家就对叙述岩石和开罐器的故事很感兴趣。

世界上的东西并不可以分为物体和过程两类，只有相对快速的过程和相对缓慢的过程。无论是短篇还是长篇，故事都是对一个过程的唯一解释。

古典科学的许多架构都是基于这样的错觉建立的，即世界是由物体组成的。假设一个人想要描述一个特定的基本粒子，比如一个质子。在牛顿的描述模式中，我们需要描述它在某一特定时刻的情况：它的空间位置，它的质量和电荷有多大，等等。这叫作描述粒子的“状态”。这个描述中没有时间，确实，时间只是牛顿世界的一个可选因素。但是一个人如果想要充分描述某物的具体情况，他就会结合时间来描述它是如何变化的。为了检验一个理论，人们需要进行一系列测量。每一个测量都要揭示粒子在某个凝固时刻的状态。一系列的测量就像一系列的电影剧照，它们都是凝固的瞬间。

在牛顿物理学中，状态的概念与经典雕塑和绘画中凝固的瞬间的错觉是一致的，但这就产生了世界由物体组成的错觉。如果世界真的是这样，那么对事物的主要描述应该是它是怎样的，它的变化则是次要的，变化也只是事物性质的变化。但是相对论和量子理论都告诉我们，世界并不是这样的。世界是一个过程的历史，运动和变化才是主要的。没有任何事物是不变的，除非在一个非常近似和暂时的意义上而言。描述一个事物是怎样的，或事物的状态是怎样的，只是一种错觉。在某些情况下，这些错觉可能还是有用的，但如果我们要从根本上思考，就不能忽视这样一个基本事实，即“是”是一种错觉。所以从新物理学的角度来看，我们必须意识到，“过程”比“静止”更重要。实际上，这里已经有了一种合适且简单的语言，帮助你毫不费力地理解它。

从这个新的角度来看，宇宙由大量的事件组成，而事件可以被认为是过程的最小部分，是变化的最小单位。但是不要把一个事件看作发生在其他静态物体上的变化。它只是变化，没有更多额外意义。

事件组成的宇宙是一个关联宇宙（relational universe）。也就是说，它的所有属性都是依据事件之间的关系来描述的。因果关系是两个事件之间可能存在的最重要的关系。这里提到的因果关系，也是前文所述的对于故事意义至关重要的概念。比如，一个事件A，在某种程度上是另一个事件B的某个原因，并且A是B发生的必要条件，如果A没有发生，B就不可能发生。在这种情况下，我们可以说，A是B的促成原因（contributing cause）。一个事件可能有不止一个原因，同样，一个事件也可能导致一个以上的未来事件。

对于任何两个事件A和B，只有三种可能性：A是B的原因，B是A的原因，或者A和B没有因果关系。我们可以说，第一种情况A是B的因果过去（causal past），第二种情况B是A的因果过去，第三种情况A和B都不是彼此的因果过去（如图4-1所示），其中每个点都表示一个事件，每个箭头都表示一个因果关系，该图展示的是一个过程宇宙。图4-2展示了一个更为复杂的宇宙，其由许多事件组成，并贯穿一系列复杂的因果关系。这些图片直观呈现了宇宙历史的故事，可称为宇宙历史图。

这样一个宇宙从一开始构建就已把时间包含进去。时间和变化不是可有可无的，因为宇宙就是一个故事，它是由过程组成的。在这样的世界里，时间和因果关系是同义词。除了导致事件发生的事件集合，一个事件的其他过去没有任何意义。同理，对于一个事件的未来来说，除了它将影响到的一系列事件外，其他也都没有任何意义。因此，在我们处理一个因果宇宙时，可以将“因果过去”和“因果未来”简称为“过去”和“未来”。图4-3显示了图4-2中一个特定事件的过去和未来。一个因果宇宙不是一连串的定格画面的顺次连续。虽然时间在这里是存在的，但实际上没有任何时间的某一刻的概念，只有因果必然的过程彼此相随。谈论这样一个宇宙是毫无意义的，如果一个人真的要对此说点什么，除了讲述它的故事外恐怕他别无选择。

我们可以从信息传递的角度来思考因果宇宙，将图4-1到图4-3中每个箭头的内容看作一些信息。每个事件就像一个晶体管，它从过去的事件中接收信息，进行简单的计算，并将结果发送给未来的事件。计算就是这样一种故事，其中信息从晶体管发送到晶体管，或偶尔被送到输出。如果我们从现代计算机中删除输入和输出，大多数计算机将无限期地运行下去。计算机电路的信息流构成了一个故事，在这个故事中，事件就是计算，而因果过程就是从一个计算到下一个计算的信息流。这就引出了一个非常有用的比喻，即宇宙是一种计算机，只不过是一种电路不固定的计算机，能随着信息的流动及时演化发展。

那么宇宙是因果宇宙吗？广义相对论告诉我们，它是。广义相对论对宇宙的描述，恰恰就是一个因果宇宙的描述，因为相对论的基本经验是：没有任何东西比光传播得更快。特别是，没有任何因果效应以及任何信息比光传播得更快。请记住这一点，然后想想宇宙历史上发生的两个重大事件（如图4-4所示）。第一个事件是摇滚乐的出现，大概发生在20世纪50年代的纳什维尔（Nashville）。第二个事件是1989年柏林墙的倒塌。那么，前者对后者是否存在因果影响呢？人们可能会对摇滚乐的政治和文化影响争辩不休，但重要的是摇滚乐的出现肯定对导致柏林墙倒塌的事件产生了一定的影响。那些最先在胜利后爬上柏林墙的人脑海里肯定闪现过摇滚乐，同理，那些做出让德国统一的决定的官员们肯定也是如此。所以，从20世纪50年代的纳什维尔到1989年的柏林，信息确实发生了传递。

所以，在宇宙中，我们定义了一些事件的因果未来，其由所有它可以通过光或者其他任何媒介发送信息的事件组成。既然没有什么东西比光传播得更快，则离开事件的光线路径决定了其因果未来的外部界限，形成了事件的未来光锥（如图4-5所示）。之所以称它为“锥”，是因为如果我们画成平面图，那么空间就只有两个维度了（如图4-5所示），它看起来更像一个圆锥体。事件的因果过去由所有可能影响它的事件组成，而影响必须从过去的某个事件以光速或更小的速度传播。所以到达这一事件的光线形成了过去事件的外部界限，被称为事件的过去光锥（如图4-5所示）。围绕任何事件的因果关系的结构，都可以用过去和未来光锥来描述。从图4-5中我们还可以看到，在特定事件的过去和未来的光锥之外还有许多其他事件。这些事件发生在离这个事件很远的地方，光无法到达。例如，宇宙中最糟糕的诗人诞生在一个距我们300亿光年远的行星上，幸运的是，他在我们的未来和过去的光锥之外。因此，在宇宙中，确定所有光线的路径，或等效地画出每个事件周围的光锥，是描述所有可能的因果关系的结构的一种方法。这些关系共同构成了宇宙的因果结构。

很多流行的广义相对论解释都有关于“时空几何”的论述，但实际上大部分都和因果结构有关。构建时空几何所需的绝大部分信息都由因果结构的描述组成。因此可以说，我们不仅生活在一个因果宇宙中，而且宇宙的大部分故事都是关于其事件之间因果关系的故事。在这个隐喻中，空间和时间的几何特征被叫作时空几何学，但这实际上对于理解广义相对论的物理意义并没有什么帮助。这个隐喻是一个基于数学的巧合，只有那些有足够数学知识的人才能真正运用它。广义相对论的基本思想是，事件的因果结构本身会受到这些事件的影响。所以，因果结构并非总是固定不变的，而是动态的，受定律约束。决定宇宙因果结构在时间维度上如何演变的定律被称为爱因斯坦方程组。它们非常复杂，但是当周围有巨大的、缓慢移动的杂七杂八的物体时，比如恒星和行星，它们就会变得简单得多。基本上，接下来光锥会向物体倾斜（如图4-6所示）这通常被描述为时空几何的弯曲或扭曲。结果，物质倾向于落向巨大的物体。当然，这是另一种讨论引力的方式。如果物体来回运动，那么波在因果结构中也会运动（如图4-7所示），光锥来回振荡，就产生了引力波（gravitational waves）。

爱因斯坦的引力理论是因果结构理论。它告诉我们，时空的本质是因果结构，物体的运动也是因果关系网络变化的结果。被因果结构的概念排除在外的是那些对数量或规模的度量。当我们在电话里交谈时，你给我的信号中包含了多少事件？当你读完这句话的时候，在整个宇宙的历史中，有多少事件发生在这个特别的时刻？如果我们知道这些问题的答案，而且知道宇宙历史上事件之间因果关系的结构，我们就会知道所有关于宇宙历史的信息。

对于“在一个特定过程中有多少事件”这一问题，我们可以给出两种可能的答案。一种答案假设空间和时间是连续的，在这种情况下，时间可以任意划分，并且没有最小的单位。无论想到何事，比如一个电子穿过一个原子，我们都能想象出其他发生快100倍以上的事情。牛顿物理学假设时空是连续的，但真实的世界不一定是这样。另一种可能性是，时间是可以被计数的离散的比特。对于“需要多少事件才能通过电话线传输1比特信息”的问题，答案是一个有限的数字。它可能是一个非常大的数字，但它仍然是有限的。但是如果空间和时间由事件组成，并且事件是可以计数的离散实体，空间和时间本身就不是连续的。如果这是真的，时间就不能无限期地划分。最终，我们将讨论最基本的事件，这些事件不能进一步分割，因此也就是可能发生的最简单的事件。就像物质由可以计数的大量原子构成一样，宇宙的历史由大量的基本事件构成。

量子引力的观点认为第二种可能性是对的。空间和时间的表面平滑是错觉，它们的背后是由可计数的离散事件集组成的世界。不同的方法为这个结论提供了不同的证据，但它们都一致认为，如果我们仔细地观察世界，空间和时间的连续性就会像物质的平滑让位于分子和原子的离散一样，肯定会消失。

同时，不同的方法也一致认为，我们必须探索世界的深处，然后才有可能真正找到基本事件。世界离散结构显现的时间尺度和距离尺度被称为普朗克尺度。在普朗克尺度下，引力现象和量子现象的影响同等重要。对于更大的东西，我们可以愉快地忘记量子理论和相对论。但当深入普朗克尺度时，我们只能把这一切都考虑进去，别无选择。要以普朗克尺度描述宇宙，就需要量子引力理论。

根据已知的基本原则，我们可以建立普朗克量表。它是通过将基本定律中的常量以适当的方式组合计算出来的。这些常量包括来自量子理论的普朗克常数；来自狭义相对论（special relativity）的光速；来自牛顿引力定律的引力常数。就普朗克尺度而言，我们绝对是庞大的。普朗克长度是10 ^-33 厘米，比原子核小20个数量级。从基本时间的尺度来看，我们经历的一切都非常缓慢。就普朗克时间（Planck time）而言，一个基本事件的发生大概需要10 ^-43 秒。也就是说，我们能经历的最快的事情仍然包括超过10 ⁴⁰ 个基本瞬间，眨眼之间就会包括比珠穆朗玛峰中所有原子更多的基本瞬间。即使是最快速的两个基本粒子之间的碰撞中包含的基本瞬间，也比现在所有活着的人的大脑中所有神经元都多。这样的结论不可避免，我们所观察到的一切，在基本的普朗克尺度上，可能仍然是极其复杂的。

同理，也存在一个基本的普朗克温度（Planck temperature），它可能是物体能达到的最高温度。与之相比，我们经验中的一切，甚至是恒星的内部，都仅仅略高于绝对零度。这意味着，就我们观察到的基本事物而言，宇宙是冻结的。我们开始意识到，自己对大自然及其潜在现象的了解，就像企鹅对森林大火或核聚变的了解一样。这不只是一个类比，实际情况就是如此。众所周知，所有的物质在被加热到足够高的温度时就会熔化。如果世界上某个地区的温度上升到普朗克温度，其空间几何的结构就会熔化。我们经历这样一个事件的唯一可能，就是审视我们的过去，因为通常所说的宇宙大爆炸，从基础意义上说，是大冻结。世界存在的原因，可能并不在于一次爆炸，而在于造成宇宙某一地区急剧冷却和冻结的事件。为了能够自然地理解空间和时间，我们必须想象一下在周围的一切都冻结之前存在什么。

我们的世界与基础世界相比大得难以置信、慢得难以置信、冷得难以置信。我们的工作就是消除狭隘的观点所强加的偏见和有色眼镜，并以自己的方式、以自然尺度来想象空间和时间。我们确实有一个非常强大的工具箱使我们能够做到这一点，其中包括迄今为止所创立的各种理论。我们必须采用自己最信任的理论，并尽可能地调整它们，以对普朗克尺度有一个大致的了解。我在这本书里讲的故事正是基于从上述做法中学到的东西。

在前面的章节中，我指出，我们的世界不能被理解为一个固定的、静态的时空背景中的独立实体的集合。相反，它是一个关系网络，其中每个部分的属性都是由它与其他部分的关系决定的。在本章中，我们了解到，构成世界的关系是因果关系。这意味着世界不是由物质构成的，而是由事件发生的过程组成的。基本粒子不是静态的，而是事件相互作用、传递信息的过程，信息传递又产生新的过程。它们更像计算机中的基本操作，而不像传统的永不停止的原子图像。

我们习惯于想象，当环顾四周的时候会看到一个三维的世界。但真的是这样吗？如果我们认为目之所及是光子撞击眼睛的结果，就有可能以一种完全不同的方式来理解世界。环顾四周，想象一下，你看到的每个物体都是多个光子从这个物体飞向你的结果。你看到的每个物体都是一个过程的结果，通过这个过程，信息以光子集合的形式传递给你。物体离你越远，光子到达你所需的时间就越长。所以当你环顾四周时，你看到的不是空间，恰恰相反，你是在回顾宇宙的历史。你现在看到的是世界历史的一部分。你所看到的所有东西都是通过一个过程带给你的信息，而这个过程只是历史的一小部分。

因此，整个世界的历史只不过是这些大量过程的记述，它们的关系会不断演变。我们不能把周围的世界理解为静态的，而必须把它看作大量共同进行的过程所创造的东西，并处在不断发展的过程中。我们周围的世界是所有这些过程的共同结果。如果我写得很好，那么在这本书的结尾，你可能会发现宇宙的历史和计算机信息流动之间的类比是我能做出的最理性、最科学的类比。神秘的是，存在于一个永恒的三维空间中的世界图景，能够向大脑所能想象的各个方向延伸。空间无限延续的想法与我们所看到的没有任何关系。当我们向外看时，是在回顾宇宙的历史，不久之后，我们就来到了大爆炸。在此之前，宇宙可能一无所有，或者即使有什么，它看起来也很可能与悬浮在静态的三维空间中的世界完全不同。当我们想象自己正在看一个无限的三维空间时，就会陷入一种谬论，在这个谬论中，我们用自己实际看到的东西代替了一个智力结构。这不仅是一个神秘的愿景，还是一种错误的论调。 7/IGD4vF+ruSgOjzUP9KaeX8oNTUUBXNQTxT60Q3blLU304rFHg+cqTOBZoG4bBs