本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
物理学中既令人不安又令人兴奋的一件事是，许多看似简单的问题仍然没有答案。当你听到物理学家们正在苦苦思索的问题时，你有时会对自己说，等等，你是说他们甚至不知道那个吗？物理学可以被定义为这样一门学科：它试图弄清楚为什么世界最初看起来复杂得令人难以理解，但在仔细检查后却受简单的定律支配。这些定律反复应用，构成了复杂性。从这个定义来看，你会认为物理学家至少已经理清了他们所说的“定律”是什么意思。
抱歉，他们并没有。
为什么自然应该受定律支配？为什么这些定律应该用数学来表达？为什么它们应该在空间和时间框架内形成？这些问题是在两周前在普里米特研究所举行的一次引人入胜的研讨会上提出的，该研讨会是2008年12月在亚利桑那州立大学举行的研讨会的续集。其中一位参与者萨宾·霍森菲尔德昨天在Backreaction上谈论了这个问题，这是一个始终如一的富有思想的物理学博客。最重要的是，组织者最好开始计划更多的续集，因为这些问题似乎仍然像以前一样难以解决。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
我认为我从未参加过像这次研讨会一样的会议。我还能在哪里听到量子力学理论的推导、反对多神论的论证，以及一种为自己不认识的地方指路的技巧，所有这些都在几个小时内完成？与会者是物理学家和学术哲学家。这两个社群在爱因斯坦时代非常接近，但后来逐渐疏远。在粒子物理学家史蒂文·温伯格的书《最终理论的梦想》中，有一章题为“反对哲学”，总结了他那一代物理学家对这门学科的蔑视。但正如我几年前在一篇文章中写到的那样，时代正在发生变化，这主要是因为许多物理学家认为，他们对统一理论的探索停滞不前，是因为没有深入思考哲学问题。在两个群体聚在一起的会议上，他们给我的感觉是非常兼容的。与会的哲学家往往接受过物理学方面的培训，而物理学家，即使他们分不清黑格尔和海德格尔，也渴望学习。
他们之间的主要区别是风格。物理学家倾向于比较随意地讲话，并依靠数学来支持他们，而哲学家在修辞上则更加细致（有时甚至矫枉过正）。物理学家还倾向于经常在早期打断发言者提问，从而阻止哲学家表达他们的观点。“哲学家比物理学家文明得多，”（物理学家）尼耶什·阿夫什迪若有所思地说。
然而，真正让这次研讨会显得奇怪的是，除了少数例外，这些演讲都侧重于断言，而缺乏论证。这本质上是一个为期三天的头脑风暴会议，旨在激发和鼓励参与者带着他们最终可能融入工作的新想法回家，而不是传达具体的结果。这种特质使得撰写一篇关于它的博客文章就像总结普鲁斯特一样具有挑战性。给自己倒一杯咖啡，然后坐下来慢慢看。
什么是定律？
前几位演讲者直接讨论了定律是什么的问题。其中包括北卡罗来纳大学教堂山分校的哲学家约翰·罗伯茨。（他的演讲视频在此。）定律不仅描述了自然界中的模式，而且区分了偶然出现的模式和那些始终存在、独立于特定情况的模式。要确定这意味着什么，真是令人沮丧地棘手，当谈论整个宇宙时，情况会变得更糟。如果宇宙是全部，它怎么可能有所不同？如果它不可能有所不同，那么偶然模式和固有模式之间的区别是什么？
罗伯茨回顾了一些主要的哲学思想流派，发现它们存在不足，并认为定律的概念与物理学家发现定律的方式密不可分。他们的主要工具是受控实验，其本质就是寻找在任何特定条件下都成立的模式。我承认，我不明白罗伯茨的方法如何帮助解决我们最关心的问题：为什么自然界是有模式的而不是混乱的？为什么从一种情况（例如，苹果下落）中收集到的定律适用于不相关的情况（围绕行星运行）？但是，承认我们的定律，即使它们捕捉到某种客观现实，也受到我们发现过程的影响，这似乎是有用的。
接下来的演讲者，达特茅斯学院的物理学家马塞洛·格雷泽以物理的方式提出了类似的观点：他说，科学非常依赖于工具。但是，他随后朝着不同的方向发展，认为最终理论是一个虚假的梦想，因为新的工具总是意味着新的发现。Backreaction 对他的演讲有更多评论，您可以自己观看，并且始终可以找到格雷泽的新书。在整个研讨会中，与会者不断回到这样的担忧，即可能没有最终的统一理论，而只有各种理论的拼凑。
我自己的反应是，虽然警告人们不要执着于对最终理论的先入之见是有用的，但格雷泽过于坚持认为物理学的杯子是半空的。我们可能对很多东西一无所知，但我们也知道很多，而且我们看到的一切都表明，自然确实受简单的定律支配。观察者一直在做出新的发现，但新的发现并不意味着新的定律。他们发现的绝大部分都可以使用现有定律来理解，而例外情况出现在定律发生冲突的情况下，这表明调和它们也将为例外情况提供解释。
在格雷泽演讲后的问答环节中，哥伦比亚大学的天体物理学家和小说家詹娜·列文提出了一个很好的观点，即虽然物理学家经常将观察和纯粹的思想进行对比，但我们的思想受到物理世界的塑造，因此我们的思想也代表了一种间接的观察形式。
后来的演讲者，美国宇航局艾姆斯研究中心的物理学家大卫·沃尔珀特也提出了一些警告。定律的主要目的是做出可靠的预测，但这个目标可能本质上是无法实现的。沃尔珀特使用库尔特·哥德尔用来证明他的不完备性定理的论证的变体，表明物理学家永远无法保证某些预测是正确的。一个有趣的含义是“一神论定理”：最多只能有一个全知的神。如果存在两个，他们将能够读取彼此的思想并陷入循环的悖论。要了解更多信息，请观看演讲，阅读论文，或者，更好的是，重读约翰·弥尔顿的作品。
物理学家如何选择定律并测试它们？
西安大略大学的哲学家克里斯·斯米克提出了如何制定整个宇宙定律的问题。定律通常适用于多种情况，例如可重复的实验，但只有一个宇宙。但是，他认为，一个独特的宇宙仍然具有多个近似层次。物理学家通常从行星轨道或粒子行为的粗略猜测开始，然后逐步完善它。斯米克认为，这些完善的步骤中的每一个都是一种不同的情况，可以让你测试这些定律。在此处观看视频。
在问答环节中，英国物理学家朱利安·巴伯表示，人们高估了可重复实验在经典物理学中的作用。实际上，一次实验就足够了。只有在量子物理学中，重复才变得至关重要，因为量子理论是概率性的，而概率意味着多个实例。
我发现斯梅恩克（Smeenk）的演讲和卡内基梅隆大学哲学家凯文·凯利（Kevin Kelly）后来的演讲之间有共同之处。凯利试图解释奥卡姆剃刀：即最适合数据的最简单的定律是最好的定律。剃刀是物理学家一直在使用却不真正思考为什么——或者它是否会导致他们看到不一定存在的简单性的想法之一。支持剃刀有效性的主要论点来自概率论，认为简单的理论实际上比复杂的理论更有可能是正确的；《美国科学家》杂志在 1991 年发表了一篇精彩的文章，阐述了这一论点。但凯利提出了不同的解释：剃刀之所以有效，是因为一个简单的定律比一个复杂的定律更不容易被撤回。它可以被认为是连续近似的第一步。它可能需要加强和补充，但它不太可能是完全错误的。
凯利将其比作指路。假设一位司机走到你面前，询问去一个你不知道的地方的路。你想提供帮助，而不是承认你的无知。你应该怎么做？诀窍是选择通往最多地方的路线——可能是最近的高速公路或通往市中心的道路。这样，你就有最好的机会将他们送往正确的方向，并避免他们不得不走回头路。凯利说，奥卡姆剃刀让物理学家走上了通往正确定律的最佳路线，即使它无法挑选出那个定律。他的演讲视频在这里。
时间是虚幻的还是真实的？
研讨会上真正的激烈讨论来自对时间的争议——不是关于演讲者是否落后于进度并占用了咖啡休息时间，而是关于时间本身是一个派生的概念还是一个基本概念。时间是从更深层次的东西中产生的，还是它是自然世界中不可减少的一部分？在我们当前的一期中，加州大学圣地亚哥分校的哲学家克雷格·卡伦德（Craig Callender）根据巴伯的观点，阐述了第一种选择的理由。
巴伯有一种典型的英国式低调的幽默感。“我很乐意放弃时间，”他告诉研讨会的参与者。“我大约在 40 年前就这么做了。”他的演讲，你可以在这里观看，堪称大师级，如果说非常规的话。它并没有像通常意义上的那样提出一个科学论点：一堆数据和公式，甚至让最顽固的怀疑论者都勉强接受。相反，巴伯带领我们漫步于他那富有想象力的思想森林。
例如，作为宇宙的隐喻，他画了一个带有 24 个红色和蓝色点的圆圈（见上图）。着色是有逻辑的：它最大化了圆周周围颜色序列的多样性。如果你不知道一个点的颜色，你可以通过观察所有其他点并找出哪种颜色可以最大化整体的多样性来推断它。它让我想起了那些逻辑谜题，你不知道自己头上戴着什么颜色的帽子，但可以通过查看其他人戴的帽子来推断出来。
巴伯认为，宇宙有点像这样。构成它的粒子没有诸如空间位置之类的内在属性。相反，这些属性来自粒子之间的关系。一个粒子通过它与所有其他组成部分的关系而被赋予一个特定的位置。他描述了如何以几何方式对粒子关系进行分类，以及如何推导出诸如位置、长度、持续时间和同时性等基本概念。他不得不假设而不是推导的唯一几何属性是线之间的角度。事实上，如果你仔细想想，你什么时候观察到长度？你总是从角度推断长度，例如在你的眼睛处所对的光线之间的角度。
巴伯并不是唯一一位认为自然的基本定律是“保角不变”的物理学家，这意味着它们没有内在的尺度感，但确实涉及角度。在诸如相对论之类的理论中，这些角度代表着因果关系。
我对这次演讲的主要困惑在于，我不明白这些抽象的想法与我们体验的世界有何关系。时间似乎是如此真实。它是如何产生的？为什么世界的结构以非常特殊的方式构建，从而产生时间？简而言之，我们说时间不是真实的，我们真正获得了什么？
另外两位物理学家的演讲为新兴时间的概念提供了一些具体内容。奥尔巴尼大学的凯文·努斯（Kevin Knuth）展示了如何从因果关系网络开始，并从中恢复空间和时间。更多详情，请阅读他的论文或播放视频。佩里米特的菲利普·戈亚尔（Philip Goyal）表明，你甚至可以从这样的网络中恢复整个量子力学理论。他的演讲在这里。
具有讽刺意味的是，巴伯过去是这个选择的孤独代言人，但它正成为主流观点。现在认为时间是基础性的观点更为激进。这就是佩里米特的物理学家李·斯莫林（Lee Smolin）和哈佛法学院的政治哲学家罗伯托·昂格尔（Roberto Unger）这对不太可能的组合所做的事情。与巴伯一样，他们并没有真正提出论点，而是提出了一份宣言。
斯莫林对所谓的牛顿范式提出了质疑，即将自然界概念性地划分为两个要素：（a）世界的状态，以及（b）物理定律。世界的状态在空间中定义。在经典力学中，例如管理台球桌的规则，状态由物体的位置和速度组成。物理定律在时间中起作用。它们将一个状态带到下一个状态。斯莫林认为，这个框架虽然在日常情况下运行良好，但当应用于整个宇宙时，就会脱轨。它会导致他和昂格尔称之为荒谬的结论，例如“块状宇宙”——即过去和未来所有时间都同样真实的命题。观看他们的团队演讲在这里。
我从中获得的最具体的想法是，如果时间是真实的，未来是真正开放的，那么物理定律本身可能会发生变化。你可以将自然定律视为固定的，在这种情况下时间会涌现，或者将时间视为固定的，在这种情况下自然定律会演变。对我来说，这听起来像是对一个有争议的一个世纪前法国物理学家亨利·庞加莱提出的论点的重述。斯莫林和昂格尔认为后一种观点更为自然，但它立即遇到了两个问题：有什么证据表明这些定律曾经改变过？如果它们确实发生了改变，那么这些变化本身是否也受到定律的约束？如果是这样，那么你要么陷入定律、元定律、元元定律等等的无休止的倒退，要么你必须假设某些定律确实是固定的。
最终，这份宣言只有在它促成了一个充实的理论时才能证明其价值。迄今为止最好的尝试是斯莫林自己的宇宙自然选择，Fotini Markopoulou 的时空量子图论模型，以及 Petr Horava 的新兴空间提案。
黑洞是否可能导致宇宙加速膨胀？
到这个时候，我的头脑中充满了深刻的想法。尼亚耶什·阿夫肖迪（Niayesh Afshordi）的演讲让我松了一口气。它有方程式！它引用了观察结果！它做出了预测！它并没有告诉我，我所认为的一切都是错误的！它所要做的只是解释暗能量。在其他任何会议上，这都算是令人望而生畏的激进。在这里，它是谦虚得让人难以接受。
他提出的模型借鉴了两个推测性的但合理的想法。首先，正如一些拟议的量子引力理论（如 Horava 的理论）所预测的那样，空间充满了看不见的流体——一种以太。其次，正如几乎所有量子引力理论所预测的那样，黑洞会发出微弱的辐射。阿夫肖迪计算出，辐射应该会加热以太，就像把一壶水烧开一样，在整个宇宙中产生（负）压强。这种压力是暗能量的典型属性，并具有加速宇宙膨胀的结果。
换句话说，量子引力效应可能会模仿暗能量。这个模型巧妙地解释了为什么宇宙加速开始于几十亿年前，而不是一直追溯到大爆炸：黑洞的形成和加热以太需要一段时间。论文值得一读，演讲也不错。
如果你一路读到这篇博文的末尾，你真的证明了自己是一位物理爱好者，我很乐意在评论区听到你的声音！你会很高兴地得知，我希望邀请这些研究人员中的许多人在未来几年内在印刷杂志上展示他们的想法。
朱利安·巴伯的照片由乔治·穆瑟拍摄