如果让我给爱因斯坦的保守主义一个原因，就会回到斯坦哈特谈到的问题，哲学，在其核心思想中，这就是所谓的现实主义。爱因斯坦不喜欢量子力学的原因有三四个。如果你要从中挑出一个，可能并不会发现什么十分严格的因果，尽管如此，他还是说严格因果是牛顿给我们最好的礼物。这是对现实主义的抛弃，而对他来说则成了经典物理学的基石。如果你要定义保守主义，我想这个定义会维护经典的规则，而激进地抛弃过去。这就是爱因斯坦在1925年所做的事情。
15 爱因斯坦与庞加莱
当1979年庆祝爱因斯坦诞辰100周年的时候，在各种活动上的发言者们都只会谈论物理学理论。这在我看来非常奇怪，像爱因斯坦这样从专利局小职员起步的传奇人物，他对实验领域产生了非常深远的影响，却只在后人心中留下了如此印象。我对爱因斯坦的兴趣就始于那个时期。除了爱因斯坦之外，我还着迷于实验和理论相结合时碰撞出的惊人结果，并对工艺知识与理论物理学间的紧密关系而感到惊艳。
多年来，我的工作一直被抽象知识和具体事物之间的对抗牵引。科学史、社会学和认识论对于我来说是非常相关的，而我在科学史方面所做的工作总是被哲学问题推动和阐释。例如，我对如下问题十分感兴趣：什么可以作为示范？根据示范所完成的工作意味着什么？实验者如何区分实验结果是真实的，还是仪器或环境造成的影响？我们认为自己了解数学推导的意思，但如果我利用计算机模拟，这又意味着什么？如果我做了一个模拟，表明彗尾会形成一个岛，那我得到的这个结果是否可以成为解释这个问题的开始，而它之后还需要更多的数学分析？
这个问题到现在依旧困扰了很多领域的研究者。这些问题无论是从历史学的角度，还是从认识论的角度看都是不可避免的，因为他们不仅是正常的科学实践，更是哲学的基础。当我选择研究某个问题时，常常是因为它的光芒是所有这些因素共同作用的结果。
20世纪70年代，我和其他一些历史学家、社会学家和哲学家开始关注仪器和实验室，虽然在科学史中强调实验方法有些奇怪。继哲学家托马斯·库恩的工作之后，大多数历史学家和哲学家对此非常热忱，以证实所有科学都是由理论产生的。我假设这是对20世纪20年代到50年代间实证主义的一种反应，哲学家们坚持认为所有知识都来源于看法和观测。关于什么是实验室，实验室从何而来，又是如何运转的，并没有多少实际工作。在那之后，对实验历史和动态变化的研究成了越来越重要的研究方向。我并不仅仅只是对实验室本身感兴趣，同时也对所有抽象的理论也感兴趣。举个最近的例子，我正在写关于弦理论的文章，尤其是关于数学家和物理学家之间的对抗，他们试图去找出什么是这个有史以来最抽象的科学理论的示范。
在所有的实例中最吸引我的就是，哲学问题是如何从具体和抽象两个层面阐释科学实践，并被科学实践阐释的。而且我常常强烈打击那些中庸的概括和探索，正如《爱因斯坦的钟表和庞加莱的地图》（Einstein's Clocks and Poincaré’s Maps）一书所说的那般，它将最抽象和最具体结合在了一起。相比于考虑一个从紫外到红外容纳其中所有波段的平滑光谱，我更倾向于用弯曲光谱的边缘去研究每一部分的抽象理论和具体实验。
几年前在我开始工作时，科学史仅仅关注那些想法和理论的出处。而实验和仪器，似乎没人对它们有兴趣，只是对理论产生贡献最小的一个部分。我的工作开始于对某些特定仪器产生兴趣，或者说仪器是如何使用的，如何将知识作用于实践，解决人们所关心的问题。我的第一本书《实验是如何结束的》（How Experiments End），当有某种特定的目的之后，实验学家们如何决定是利用小的桌面仪器进行实验，还是进行一个囊括数百人的大型实验。
之后我转向物理学中的另一群人，他们不仅对实验而且对机器本身感兴趣。我想知道某种特定的实验仪器是如何实现其价值的。举个例子，像类似于云室（cloud chamber）或者气泡室（bubble chamber）这样的仪器，如何产生图像，并成了几乎整个20世纪物理学家们所有证据的来源？像盖革计数器（Geiger counters）这种有趣的小东西，每当有辐射物质靠近的时候都会发出一个声响，如何产生了一种新的统计方法？而令我十分感兴趣的是传统和创新的冲击，传统科学家们总是试图拍照片，通过看到的东西来了解，而创新物理学家们则试图利用计算机程序来结合更多的信息，来产生一个逻辑上的示范。我的第二本书《图像和逻辑》（Image and Logic）就讨论现代物理学领域互相对垒的这两大阵营。
最近我一直在关注物理学中的第三种人群：理论学家。我想知道理论学家在提出一种物理学抽象观点时在多大程度上与某些特定的机器或设备有关，无论这些抽象观点是量子场论、相对论或者其他任意一种理论。特别是，在《爱因斯坦的钟表和庞加莱的地图》一书中，我就提到了19世纪末期人们同时对时间和钟表的广泛关注。在某种程度上，这是一个抽象且偏哲学的问题，但是这里面仍旧包含着纯粹的技术问题。比如，你如何创建映射，或者通过海底电缆传递信号？你如何定位和分流火车，这样它们在同一个轨道上相向而行的时候不至于迎面相撞？最终我对理论学家的关心引领我去关注对19世纪末期的物理学家们来说最为紧迫的一个问题：当一个物体通过当时人们所称的“以太”的东西时，电和磁是如何工作的？
我对科学中物质的兴趣起源于童年时代。我那活到90多岁的曾祖父，曾经受训于柏林，之后成为托马斯·爱迪生实验室的一名电力工程师，而我和他一起在那个实验室的地下室度过了很有意义的一段时间。我被他所做的工作吸引了。那个实验室就像电影《科学怪人》描绘的一样，有着巨大的单刀双掷开关、黑暗中巨大的电弧、架子上排列着的一瓶瓶水银。我喜欢那个实验室的每一个角落。我17岁时从高中毕业，到巴黎综合理工学院（Ecole Polytechnique）学习物理和数学。我有幸从师于一位非常伟大的数学家，洛朗·施瓦茨（Laurent Schwartz）。我去过法国很多次，会说法语，并且因为对欧洲当时的政治非常感兴趣，所以希望再次去法国。我觉得如果我有唯一一次机会可以在一个有趣的地方工作的话，那么一定是和物理学相关的，所以我给不同的物理实验室写了信。而一个17岁的美国男孩写信给巴黎综合理工学院，这可能使他们对我的信格外重视。
当我开始在那里学习后，我对哲学问题非常感兴趣，并且认为学习物理学是解决其中某些问题的途径。我在一个等离子体物理实验室工作。当时那个实验室还可以做一些小型桌面实验，而现在他们只能利用实验室中的巨大机器来做实验了。我对实验室里的设备非常着迷，信号发生器、记录仪、示波器，并且对“理论知识是如何最终产生实验器械”这一问题感到十分好奇。在哈佛大学，我找到了将历史学和哲学结合起来的办法，并且利用这个方式进行了很多物理学研究。
这将我带向了爱因斯坦。
我们今天对爱因斯坦的了解都是基于他人生的后半段，也即当他开始将自己与世俗隔离开，将自己视为一个来自其他世界的人物时。爱因斯坦曾说过，对理论物理学家来说，最好的生活方式就是去做一个灯塔管理员，与外界完全隔离，只有这样才能拥有最纯净的思维。让我们抱着对理论物理学家这样的看法，再去回看爱因斯坦的奇迹之年，1905年。你很容易就能明白他在专利局的那份工作只是为了糊口，他真正的工作是纯脑力工作。这样分裂的存在对我来说是完全不可能的。我开始思考他在机器和物体方面的细节工作对那些抽象观点有怎样的联系，并且开始考虑相对论本身是如何从与其相关的时间、地点和机械中产生的。
几年之后，在1997年的某一天，我在北欧的一个火车站，看着站台上那些完美设定的钟表。所有的分针都相同。我想：“天呢，他们当时做出了这些非凡的钟表！这是多么完美的机械！”但是我之后注意到，所有的秒针也都是同步的。于是我想，这或许是因为它们不是什么好的钟表，它们只是靠电子信号实现同步的。或许爱因斯坦在写关于相对论的文章时也有同样的这些表。
当我回到美国，我开始调查瑞士、英国、德国、美国的专利和工业记录，发现在19世纪末期的确有很多生产协调时钟的地方。突然，爱因斯坦在他1905年的文章中提出的那个隐喻变得没有那么独特了，文中他质问我们什么叫作“同步”（simultaneity）。他说，想象一列火车驶入你所在的站台。如果当火车停在你眼前的那一刹那，你的手表恰好指向7点，那么你就会说火车到达的时间和你的手表显示的时间是同步的。但是如果你说，当距你很远的火车站有火车到达时，你的表刚刚指向7点，这又代表了什么呢？
之后爱因斯坦提出了一套理论去解释什么是协调时钟，并解释了什么是同步。之后这个定义成了他理论的基础，并且引出了令人吃惊的结论：同步取决于参考系，不同参考系中长度的测量是不同的。他还得出了之后令人惊人的关于相对论的结果。突然间我意识到，爱因斯坦所有对火车和站台的抽象比喻事实上也只是完全的比喻。除了将自己隔绝在灯塔中的那个人关心同步的定义外，有很多工业界的很多人也在关心远处的火车站有火车到达到底意味着什么。之后他们就通过电报向距离非常遥远的车站传递同步电信号来实现同步，这就和爱因斯坦在他的文章中所写的几乎完全相同。
所以我开始看向更远，除了上文提过的人之外，19世纪末期谁还会关心同步的问题呢。后来我发现，有一个伟大的法国哲学家、数学家和物理学家亨利·庞加莱和爱因斯坦有同样的观点。他也想对绝对同步的观点进行非难，试图得到一些可以测量的量。
不像爱因斯坦使用了火车和站台，庞加莱选择了他的喻体：一条线上的电报信号交换。在他1898年1月一篇非常著名的哲学文章中，庞加莱说同步就只是信号交换，就像两部电报机试图去确定它们之间的经度差是多少。你看，如果地球是静止的，我们可以非常简单地通过抬头看头顶的星星来确定自己所处的经度。但地球是转动的，所以对比两地的经度，要通过看两地上方的星星来确定，则需要同时测量。因此，几个世纪以来如何确定同步都是地图制作者们最头疼的一个问题。19世纪末期，人们通过海底电缆来传递电时间信号，有趣的是，庞加莱正处于这件事情发生的时代。1899年他当选为巴黎经度局（Bureau of Longitude）的主席。1900年12月，他将自己通过哲学和技术手段得到的时间定义带入了物理学。他展示了当电报机在以太中运动时，如果调整它们的时钟，那么就算是对“真正的”以太静止系，时钟也是同步的。庞加莱提出的同步的新定义建立在三个领域的基础：哲学、技术和物理学。
尽管庞加莱在他同时代的人中是一位非常著名的哲学家和数学家，他还是一个技术很好的工程师，曾在巴黎工程学校（Ecole des Mines）受过工程师训练，之后成了法国综合理工学院一名杰出的教授。庞加莱的故事提醒了我：像爱因斯坦一样，当庞加莱在使用确定经度的电报机打比方时，他同时用比喻解释了字面上的意思。他改变了物理学的一个重要概念，同时又解决了地图制作者们的一个难题。
虽然不如爱因斯坦那么出名，在世纪之交，庞加莱最著名的哲学著作《科学和假设》（Science and Hypothesis）与《科学的价值》（Science and Values），成为法国当时的畅销书。它们对现代科学哲学有着深远的影响，并且今天仍旧被用作哲学课程的教材。这些著作最初被翻译成了各种语言，包括德语和英语，因而可以被广泛传播。庞加莱开启了数学的一片新领域，包括拓扑学。他帮助建立了混沌科学，我们目前所知的一些复杂科学都有他的贡献。他同时也对相对论和其他物理学分支有很多重要的贡献。庞加莱是一个真正博学的人，他甚至在工程学方面小有成就。他是拯救埃菲尔铁塔的人之一，因为他看到了它作为军事天线的用途。事实上，根据庞加莱的各种预测，埃菲尔铁塔本身就是一个巨大的天线，可以向全世界传递时间信号，帮助从加拿大到非洲最尽头的人们测定经度。他自如地在工程学和抽象的数学间转换，并在很多领域留下了丰富的财富。他对时间的思考也是其众多成就之一。
在对庞加莱有了更深的了解之后，我试图去理解为什么他和爱因斯坦可以从哲学的抽象角度、物理学角度理解那些科学问题，包括如何使两列火车不相撞或者怎样帮助横跨很多国家的地图制作者完成他们的任务，完全重置了我们的时空观。这一切始于一个非常简单的观点：如果在两个事件发生的地方放上两个时钟，而这两个时钟在这两个事件发生时是相同的，那么我可以说这两个事件是同步的。我如何调整这些时钟呢？我将信号从一个时钟发向另一个，并且计算其路途中经过的时间。这是基本观点，所有的相对论理论。E=mc2以及爱因斯坦所有的工作都源于此。问题是，这个观点是从哪里来的呢？爱因斯坦和庞加莱两个人发现了这个关于同步的观点，我认为这是哲学、技术和物理学共同作用的结果。他们两人正好处于这三个领域的交集中。
有时候人们会问我：“爱因斯坦和庞加莱的同步理论的基础是什么？是真正的物理学、基础的技术，还是哲学？”我认为这不是正确的提问方式。这就像问我戴高乐广场是在福煦大街还是在雨果大街。我之所以可以描述戴高乐广场的位置，是因为它处于这两条街的交叉处。这就和发生在同步上的问题相同。我们看到的是一个非凡的时刻，因为哲学、物理学和技术的交汇才导致了这个颠覆整个世纪的结论产生。这就像在一个巨大的剧院中用三束聚光灯照向同一个点，所以它受到了三倍的照明。这对铁路工程师和地图制作者来说，知道什么是同步非常重要。这对哲学家来说也非常重要，这帮助他们解决了什么是时间、什么是时钟、是什么定义了时间——是机械表、天文现象，还是在所有表象之后的抽象时间。这对物理学家同样非常重要，知道什么是同步就可以解释很多重要的物理方程，比如关于电和磁的麦克斯韦方程组。庞加莱和爱因斯坦考虑了三个方面的共同影响才得到了结论，所以这就是为什么不能单独提问某一个方面。当然，时钟不是导致相对论产生的原因，而是相对论导致了现代时钟同步化的进程。
对一些人来说，爱因斯坦和庞加莱是十分神奇的，因为你无法再想象出更加相近的两个人。他们有同样的朋友，在很多同样的出版物上发表了文章，并且研究了很多相同的问题。在他们的专攻领域，他们都是顶级专家，都喜欢写一些大众读物，都很看重哲学的作用，都对技术工程学有很大的兴趣，并受过相应的训练。因此你无法将他们分开来看。这使我想到了弗洛伊德，对他来说，读尼采的文章是无法容忍的，他曾经很多次提过这个理由：尼采的想法太过类似了，然而却是针对不同的问题。
庞加莱和爱因斯坦分别在19世纪和20世纪有了自己最辉煌的科学成就，在他们一生发出的和收到的成千上万封信中，从来没有来自对方的一个明信片。在庞加莱生命快要结束的时候，他们遇见过一次。当时庞加莱在主持一个非常重要的物理学会议，而爱因斯坦在这次会议上发表了他对光的量子态的研究。在这次会议结束时，庞加莱评价说，爱因斯坦的报告与物理学应该有的样子太不相同了，物理学应该可以利用某些因果关系、微分方程、规律和结论来表示，他不能忍受爱因斯坦的方式，并且说这不可能得到任何结果。他认为这对科学来说是个灾难。而爱因斯坦呢，回到家，就给朋友写了一封短信。信上说，他十分崇敬同事们的工作，甚至热爱这个结果，但是这一切却被什么都不懂的庞加莱污蔑了。他们就像黑夜中的两艘船一样错过了，在相对论研究领域，甚至都不知道对方的存在。但是就在这次会议几周之后，庞加莱给爱因斯坦写了一封推荐信，帮助爱因斯坦得到了一份对他来说十分重要的工作。在这封信中他强调说，就算这个年轻人的想法只有一小部分能得以实现，他都会拥有十分伟大的成就，他对科学界来说是个十分重要的人。这封信中包含了极度的赞美和慷慨之词。之后，他们再也没有互相交流过，也没有再见过面。
爱因斯坦和庞加莱的不同之处，以及他们对自身工作的不同理解，代表了20世纪现代物理学领域的两个对垒观点。尽管庞加莱的方程和爱因斯坦的相对论看起来非常相似，庞加莱总是认为他在做的事情是对过去的巩固、修正和延续。就像某个认识他人说的那样，他在填补世界地图的空白。而爱因斯坦则试图去做些不同的事情，过去的程序太复杂，我们需要的是从头开始的，纯净、朴实的定理。庞加莱认为自己在拯救法国，这是毫无疑问的，但他同时拯救的还有19世纪的物理学。他踌躇满志地想将物理学现代化，但和爱因斯坦的却并不相同。他的是修正的、改善的现代化，依赖于法兰西第三共和国的现代化。而爱因斯坦的破坏力则是更强、更纯粹的现代化。只有通过理解哲学、物理学和技术三者的交汇，一个人才可以抓住这个世纪性的新观点真正意味着什么。
你可能会问，而且我也常常在想，现在如何考虑这个问题。或者换一种说法，现在有没有类似的三种学科的碰撞呢？我的想法是：当你考虑庞加莱和爱因斯坦的时候，你试图在很多不同尺度上理解时间的协调性和时钟的同步性。或者说，他们试图去了解如何在一个房间、一个实验室、一个区域或者一个城市中去调整时钟。而同时关心这个问题的其他人也在将电缆铺在太平洋和大西洋的海底。爱因斯坦和庞加莱不仅考虑了这些在地球尺度上的问题，也考虑了如何在宇宙不同参考系中解决。他们问：“同时性（synchroni-zation）意味着什么？同步又意味着什么？”这些问题发生在每一个尺度上，从小到大，从哲学到物理学，从电缆到火车轨道。从这种意义上来看，它并不像我们常提出的科学问题具有的性质那般，可以从某些纯粹抽象的理论开始，然后应用于物理学和工程学，最后通过实践解决。这同样也不是柏拉图式的提升，或者马克思主义的一个简单观点，其中，机械或者机械工厂将不断抽象化，最终变成宇宙中的一个理论。
一个关于时间的常规问题，即它如何和物理过程平起平坐的，是所有人都关心的。而我们需要解释这个在实际和哲学间循环往复的比喻，并不仅仅是从抽象到具体那么简单。它不是一个蒸发过程，在这个过程中，水的密度在变成蒸汽后会变小。相反，它是一种物理学家称为临界乳光（critical opalescence）的东西。常规乳光的颜色类似于牡蛎壳的颜色，所有的颜色都会被反射，就像你看到珍珠的表面或者某些壳的内部时，可以同时看到绿色、红色和白色。临界乳光发生在某些特殊的情况下，例如，在某些特定温度下的系统中水和水蒸气同时存在的时候。在这个临界点时，一些不同寻常的事情发生了。在不同的尺度上，从几个分子到整个系统，液体开始蒸发，并且同时气体也在凝结。突然间，由于产生了很多不同尺度的小液滴，导致所有波段的光都发生了反射。如果你用蓝光入射，就可以看到蓝光，用红光入射，则能看到红光，黄光也是如此。
这是我们需要的类比现象。庞加莱和爱因斯坦在哲学问题、物理学问题和实际问题上踌躇不前。19世纪90年代末，庞加莱在杂志上发表了一篇文章，针对地图制作者和确定经度的人，同时他还在物理学杂志以及《形而上学和道德》（Journal of Metaphysics and Morals）杂志上发表了文章。他在这三个领域都游刃有余。
现在你可以问这个如何和现在对比。最近的科学中哪里可以看到临界乳光？在我看来是非常稀少的，但是你可以关注的一个领域是计算机科学。在这个领域，关于人脑，关于计算机功能，关于科学、代码和数学物理学全部都同时存在。冯·诺依曼利用设计计算机程序的思路，考虑了人脑和它的结构（记忆，输入、输出，处理）。之后这个程序成了人脑的模型。信息与计算技术的发展是息息相关的，它也变成了一种更加广泛的理解语言交流的方式，之后再反馈给设备。信息、熵和计算成了目前三个重要领域。这样的乳光出现的时刻并不常见，比我们所称的科技革命要稀罕得多。我们目前看到的临界乳光是完全不一样的尺度，我们在抽象和具体之间不断徘徊，它们在用一种全新的方式来解释对方，而不是像过去一样只是简单地蒸发和凝结。当看到这样的乳光时，我们应该往更深处挖掘，因为这可能会是人类文化的转折点。
16 在更大的尺度上思考宇宙
伦纳德·萨斯坎德的导言：
盲人摸象的寓言大概是对宇宙和试图了解其在更大尺度上形状的物理学家来说，最好的比喻。每个人都感受到了大象的一部分，然后在此基础上开始想象整个大象的样子：“它是一堵墙”“它是一条绳子”“它是一棵树”，意见不合几乎大打出手。而宇宙相比于大象来说，更是有过之而无不及，它在任何一个角度上都太过巨大，而我们大多数人都只是纠结于宇宙很小的一部分。
幸运的是，人类历史上总会时不时地有些人有足够的勇气与坚持，并且有足够清晰的头脑，试图探索一幅更大的图景，拉斐尔·布索就是这少数人中的其中一位。
从普适到特别，我们可以在不同层次或者不同深度上问自己一些问题。我认为，作为一位科学家，找到其中的平衡点是十分重要的。如果我们决定研究一些非常深奥的问题，我们倾向于不要走得太快。这些想法就像是指南针，但是利用某些方式来打破现状也非常重要。而我喜欢的方式是：“那些高深的问题是这一类的：如何统一自然界的所有规律？如何研究量子引力？如何理解引力和量子力学之间相互融合的方式，而这种融合如何同我们所知的物质和力是互洽的？”这些都是意义深远并且非常重要的问题。
另外一个意义深远的问题是：“宇宙在大尺度上是什么样子？”我们看到的这部分宇宙有多特殊？还有没有其他可能？这些问题都是相互联系的。但要回答它们，我们需要从一个特殊的模型开始，并且用一些特殊的方式来考虑这些问题。这些特殊的方式包括：将它们分成一个个小的部分，之后最重要的是，将它们与观测和实验结合到一起。
弦理论是一个存在很久的理论方法，然而起初它并不是为了解决这种深奥的问题而被提出的。起初它的提出只是为了了解强相互作用力，而之后它主宰了自己的“命运”，开始不断回答一些还未被提出的问题，例如量子引力。它开始先于你对量子引力进行了研究。
这是一个有争议的话题。还有很多其他方法也可以解决量子引力这一问题。我个人认为，目前弦理论是发展最好也是最有保证的一个，所以我开始利用弦理论或者探索弦理论的性质，来寻找关于某些问题答案的线索，来看看弦理论可以给我们什么。
另一个可以帮助我们打破现状，将问题难度降低到可接受范围的方法当然来自观测。我们透过窗户看到了什么？我们看到的所有东西中最值得一提的问题是：为什么晚上天不亮？这个问题听起来可能很蠢，但是当你认真思考的时候，这是一个十分深刻并且非常需要一个合理解释的问题：“为什么星星不是出现在我们观测的任意方向？”或者和这个类似的问题：“为什么宇宙这么大？”从基础物理学的角度看，宇宙的大尺度实在是一个非常值得注意的问题。一定是发生了许多神奇的事情才使得宇宙达到了今天的大尺度结构。关于这个问题，我可以仔细谈一谈。其中一个必要条件是，真空空间的能量必须要非常小，才可以使宇宙达到今天的尺度。事实上，仅仅通过看向窗外，你就可以看到几公里之外的事物。这已经告诉我们真空空间的能量是异常小的，要在0.000和1之间加上数十个0。而这个结果，你只是看向窗外就可以得到。
有趣的是，如果你利用现有的理论来计算真空能，例如已经经过加速器验证的粒子物理学标准模型，你并不能得到确切的结果。但是你可以计算不同组分对真空能的贡献，然后就会发现，结果和你认为的可能值有着天差地别，不是10或者100这种尺度上，而是10亿或者10亿的10亿倍的10亿倍。
这需要一个解释。这只是其中一个使宇宙可以达到如此大尺度的先决条件，但却是其中最为神秘的一个。所以我们需要一个解释。
我们知道真空能或者真空的质量必须是一个非常小的值，所以在物理学的一部分领域中因为某些原因，都认为这个数值为零。然后某一天我们醒来，来解释这个值为什么为零。事实上，1998年的某一天我们醒来之后，发现这个值并不是零。我们听说，宇宙学家们做了一些实验来观察宇宙在其生命各个阶段的加速度的大小，发现宇宙是在加速膨胀的。而我们过去都认为宇宙从大爆炸之后，星系之间互相远离的速度是越来越慢的。这就像你数十亿年前松开了刹车，然后踩上了油门。宇宙是在加速膨胀的。如果我们认为真空能是非零的，并且是一个正值的话，宇宙加速膨胀正是这些条件的必然结果，然后你就可以观察现在的加速度，并推出一个准确值。在过去的13年间，很多本来独立的观测都开始联合起来证明这个结论。
而我们需要解释的最主要的事情依然是，为什么宇宙学常数或者说真空能，不是一个巨大的数字。但现在我们至少知道这个解释不会是因为某些对称性，所以真空能才为零。我们现在需要的解释要同时满足这两点要求：不大并且非零。
而令人惊奇的是，并非为解释这个问题而创造出来的弦理论，提出了一个解释，根据我的记忆，这是观测和实验与弦理论的第一次正面交锋。拥有一个可以解释量子引力的理论无论什么时候都会令人激动。虽然一开始不被承认，但事实证明，弦理论的确有这种可以解释问题的潜力，来解释为什么真空能是一个非常小但又不为零的值。
我本来以为自己会成为一个数学家，但在最后一秒我决定学习物理学。因为我意识到，我对了解自然真的非常有兴趣，而不只是一些抽象的内容，虽然抽象也有其魅力。我在剑桥大学完成了博士学位。我和霍金一起研究了黑洞的量子性质以及它们是如何与早期宇宙相互作用的。之后我去斯坦福大学做博士后研究。在斯坦福大学，我与安德烈·林德、伦纳德·萨斯坎德有过很多交流，我们都觉得是时候让弦理论对宇宙学作出些解释了，因为弦理论过去对宇宙学并没有作出过什么大贡献。我们开始思考弦理论如何作出解释的各种方法。
其中一个观点是全息原理。这个观点主要解决了，如果你需要描绘时空某一区域的基础特性时到底需要多少相关信息。令人惊奇的是，我们需要的信息并不是无限的。而更令人惊讶的结果是，随着区域体积的增长，我们所需要的信息量并没有随之增长。根据特·胡夫特和萨斯坎德最初的想法，这个答案与周围区域相关。但这个观点并没有完全成功地被应用，尤其是在宇宙学领域。所以我工作的其中一个主题就是这个全息原理是否真正正确，是否可以被用于所有的时空区域，例如黑洞，而不仅仅是在引力并不十分重要的“普通”区域。结论是：这个原理是正确的。这多么令人激动。
另一个我开始考虑的课题，是试图去理解宇宙学常数、真空能或者人们最喜欢的那个名字暗能量，为什么很小但又非零。我在加州大学圣巴巴拉分校的卡弗里理论物理研究所（KITP）和乔·坡钦斯基一起研究了这个问题。我们发现，弦理论为理解这个问题指明了一条路，而事实上要我来说这是目前解释这个神秘问题最棒的方法。离开斯坦福大学之后，我到圣巴巴拉做了另一期博士后，之后又在不同的地方停留过，包括在哈佛大学的一年。2004年，我成为加州大学伯克利分校的一名员工，现在我是其物理系的一名教授。我不做实验，我是指不会走进实验室然后开始连接导线的那种。但是对我来说非常重要的一点是，我所做的工作是为了解释自然的本质。问题是，物理学发展到越高的层次，我们所要求的技术水平越脱离我们现有的实验能力。我们无法提出有关量子引力的问题，然后期盼同时可以得到一些就像在19世纪满足量子力学的光谱数据一样的结果。并且我认为作出以下回答是十分合理的：“如果是这样的话，我认为我们对这个方向进行研究是十分冒险的。”另外一种合理的回应是：“这个问题的确是一个好问题。”当然，了解如何将量子力学和广义相对论融合在一起，是一个十分重要的问题。它们都是非常伟大的理论，却互相对立，而我们有很多理由相信，一旦我们同时了解两者，就将对我们了解自然的本质产生十分深远的影响。也许是因为现在我们的智慧不足以做到，尤其是在我们没有定期实验反馈的前提下。但是我们过去对太多的关键点都太过悲观，而且总试图寻找其他的路。
我并不认为我们可以通过搭建更多的粒子加速器来加深对量子引力的了解。我们的确会知道很多新知识，甚至包括一些与量子引力相关的知识，但只是间接的。但我们可以看向其他方向，可以利用宇宙学实验，可以通过宇宙来帮助我们了解高能。我们会提出一些目前想都不敢想的观点。我总是对我实验室的同事的创造力感到敬畏，我一直都认为他们会是最终给出我们答案的人。
人们经常会说，过去的15年是宇宙学的黄金时代，的确是这样。我非常有幸把握住了时机。当我还是一名研究生时，COBE卫星发射了，并开始运转，传回数据。这意味着，宇宙学不再是只对一两个数据进行测量，人们对宇宙膨胀速度的不确定性也不再那么明显了。在过去，宇宙学家们甚至不能确定星系之间相互远离的速度有多大。从COBE卫星发射开始，我们进入了“富数据”时代，我们拥有的数据量之大令人难以置信，这些数据可以充分帮助我们描绘宇宙物质分布的细节、宇宙膨胀的速度，并且还可以描绘宇宙膨胀的今天与历史。一些几年前想都不敢想的观测数据，都可以轻易地获取。宇宙学再也不是一个可以被轻视的学科，因为在过去虽然你可以看到所有的事物，但却没有任何可以拿到手的数据。事实上，过去15年间，由于大量数据的获取，导致有很多理论消亡或者即将消亡。
其中一个例子是关于宇宙早期的结构是如何形成的。为什么宇宙不像一锅汤一样是均匀的？为什么会在这有一丛星系，在那有一块真空，而另一处又有一个星系呢？这些结构是如何出现的，它们的分布又是怎样导致的呢？为什么它们就刚刚好是现在的尺度，不大也不小？为什么不是只存在一个巨大的星系，剩余的全部都是空的呢？这些问题的确需要解释。
可以解释这些问题的，实际上有很多理论，其中一个是暴胀理论。暴胀理论非常好的一点在于，最开始它被提出的时候并不是为了解释这些问题，但是在发展过程中人们却发现它在解释这些问题上“天赋异禀”。之后还有其他理论也非常合理，比如宇宙弦，它不是弦理论中的弦，而是我们所说的拓扑缺陷。简单来说，就是有一些类似于弦的物体，而能量被锁在这个物体中无法脱离，因为宇宙从非常早期就开始膨胀，所以它的温度是不断降低的。如果你有一些“正确”的宇宙弦，它们会导致某些结构，对这些结构，不同的物理学家有不同的看法。而无论其在宇宙微波背景辐射上留下了怎样的印记，COBE卫星都已经对其进行过了测量，而目前普朗克卫星正在进行精度更高的测量。
我们对宇宙微波背景辐射已经有了足够了解，可以帮助我们将宇宙弦导致宇宙结构形成这一理论排除在外。当然宇宙弦也有可能是存在的，只是它对宇宙结构的形成没有任何影响罢了。
暴胀理论看起真的相当棒。并不是因为我们有了确凿的证据证明它是对的，而是它经历了太多的考验。的确出现过它可能被排除的情况，但是目前看来，它仍旧是一个非常有趣的理论。
暴胀理论其实在细节方面有很多分支，但是它的确作出了一些非常优秀的预言。事实上，就算你挑出任意一个分支，几乎都可以得到这些预言。其中一个预言是，宇宙是平直的，就像你高中时代学过的几何一样，而不是数学家们列出的那种奇怪的几何结构。而目前，我们知道宇宙是平直的。暴胀理论还预言了天空中一种特殊的扰动，而根据我们现在拥有的非常精确的数据，这个结论被证明是正确的。暴胀理论作出的很多预言都可以帮助我们，但是目前我们并没有达到可以判定某一种暴胀理论正确，而其他理论不正确的程度。让我们看看更加细节的地方，暴胀理论的某些分支与模型已经被排除，但我们仍旧看不到正确的那个。我认为，找到正确的那个还需要花上一点时间。
我曾说弦理论真的给了我们很大惊喜，因为它解决了一些问题，而这些问题就算是利用“对症”的理论，都没有任何进展。例如，为什么真空质量很小？为什么暗能量的值也很小？而弦理论解决这些问题的办法就像我们可以说出椅子、桌子和沙发之间的差距一样。这些都是什么？
它们本质上只是一些基础的组成部分，电子、夸克和光子。你有5种不同的粒子，你将它们放到一起，然后就有了很多很多粒子。虽然基本组成部分有限，但你有很多复制品。你有很多夸克、很多电子，当你将它们组合在一起，就会有千千万万种可能。就像一盒乐高玩具：你能利用它们搭出各种各样的形状。一大盒夸克和电子，你可以用它们做成一张桌子或者一把椅子。这是你的选择。严格来说，如果我拿出一个原子将它放到这把椅子的其他位置上，我就得到了一个不同的物体。如果用科学的语言来说，也就是标准模型的不同解。比如如果我有一大块铁，我将一个原子移动到它上面，这又是标准模型的一个解。
事实上，虽然粒子物理学标准模型有这么多解，这也并不意味着这是一个非常复杂的理论，不意味着它可以解释所有事物，也不意味着它不能提供任何可信的结论。这仅仅意味着，它可以容纳我们所看到的复杂自然界中的一切现象，并且是从非常基础的部分开始的。夸克种类是有限的，电子只有一种。将它们组合在一起的方式也是有限的，利用它们，你并不能构建出任意的材料。统计学规律会限制原子有多少种表现，所以尽管事情看起来颇为复杂，但当你达到一定数目之后，它就会开始简化。
在弦理论中，我们对铁块做了不同的构建工作。弦理论是一个建立在十维中的理论，即九维空间和时间。而我们生活在三维空间和时间中。所以这是弦理论比较尴尬的一点，不过这并不重要，因为想象这些空间维度只是蜷缩到了显微镜都无法看到的小尺度上，并不是十分困难的事情。如果这个理论和观测恰好相互对应，那就更好不过了。
当你意识到6个维度会有很多种不同的卷曲方式时，弦理论就和观测开始相互对应了。如何将这些维度卷曲起来呢？看起来它们并不会自发地卷成一些随机形状。它们会形成一些小圈，而形成怎样的形状是由周围的物质决定的。就像你的乐高玩具汽车是什么样子，是由你如何将每一块小零件拼在一起决定的。那把椅子的形状，是由你如何将原子组合在一起决定的，而额外维度的形状，是由你如何把某些基本弦理论物体放在一起决定的。
弦理论基础部分的要求要比乐高公司和标准模型的要求要高。你只有流量、D膜和弦。这些并非是我们人工放入理论的，而是理论给予我们的。所以6个维度是什么样的形状，取决于你如何卷曲弦、D膜和流量。这意味着，形成一个三维世界的方式有很多种。就像我们搭乐高玩具汽车和铁块一样，有很多不同的方式可以构成目前我们所看到的3+1维的世界。
当然，无论多少种，事实上它们并不是真正的3+1维。如果你可以建成足够强大的加速器，你就能看见所有这些额外维度。如果你可以构建更好的加速器，那么或许你还可以操纵它们，在实验室中构建和现在不同的世界。但是想达到这些目标，我们目前或者说在未来很长一段时间内，都不可能达到这样的能级。但是你需要考虑，弦理论可以给我们很多种3+1维世界的可能。
我和乔·坡钦斯基做了一个估计，构成3+1维世界的可能性并不仅仅是百万种或者十亿种，而是10100种或者10500种。这个结论的有趣之处有很多，但对我们来说最重要的原因是，它暗示了弦理论可以帮助我们理解真空能为什么这么小。因为，毕竟被我们称为“真空”的只是一种特殊的三维世界，也就是在它看起来是空的时候。但就算在看起来是空的时候，它依然会受额外维度中物质的影响。
对每一个3+1维的世界来说，你都会期盼其中的真空能是不同值，其中暗能量大小不同或者宇宙学常数不同。所以你有10500种可能来构成3+1维世界，而在其中的某些可能中，真空能非常意外地十分接近零。
另一件会发生的事情是，在这么多种可能中，有一半的真空能为正值。所以就算你没有一个正确的起点，我说“正确的起点”是说将来会演化成我们现在看到的宇宙样子的起点，你都可以从一个非常随机的状态开始，这是另外一种可以形成3+1维世界的方式。将会发生什么呢？首先，宇宙会增长得非常快，因为正的真空能需要加速度，就像我们今天观测到的样子。它会快速增长，然后，由于量子力学过程会开始衰退，你就可以看到被放进额外纬度中物质的不同，之后你就可以观察到不同的3+1维世界。
这不是我编造出来的。这个理论先于弦理论被提出。这要追溯到20世纪70年代或者80年代西德尼·科尔曼和其他一些人的计算，这些计算没有依赖任何引力理论。这是一些枯燥的物理计算，甚至很难与之争辩。过程是这样的：这些不同的真空，拥有正真空能的三维世界，无限增长，然后开始衰退，新出现的真空企图吞掉“前辈”，但却不够快。所以你就有了一切物质。你用不同的真空将宇宙填满，而在其中真空可以拥有不同的重量。然后你可以问：“在这样一个理论中，观测者应该处于何处？”如果想为这个问题给出最原始的答案，那么全息原理就会派上用场。
如果你有许多真空能，那么尽管宇宙整体是在不断增长的，如果你坐在某处环顾四周，你周围将会有一条地平线。各区域合理地连接在一起，这样粒子可以相互作用并形成结构，反过来又与真空能的数量相关。这就是我之前为什么说仅仅通过看窗外，我们就可以知道真空能是非常小的值。如果有大量真空能存在，宇宙在任何坐在其中观察它的人眼里，就会是一个非常小的盒子。而全息原理告诉你，小盒子的信息量将与它的表面积有关。如果每一部分真空的真空能都拥有一个非常大的值，那么表面所承载的信息量可能只有几个比特。所以无论你认为观测者们看到了什么，应该都会比几个比特要复杂一些。
