20世纪90年代，第二次超弦革命的确说服了一些对弦理论持怀疑态度的人，让他们相信我们在正确的道路上前进。但仍有很多人持怀疑态度。我们所了解的一点是，不同版本的弦理论都是基于同样的基础理论的。与其称其为不同版本的弦理论，不如说它是在同一个基础理论的不同表现方式上建立起的弦理论。不同的人可能会对宇宙、物理学定律有不同的看法，实际上是对物质的不同形态有不同看法，比如水有液态水、冰和水蒸气三种相态。随着水所处的环境变化，它可以表现出不同的相态，以及不同的密度、不同的声速以及其他性质。弦理论探讨的则是时空会发生怎样的变化。时空也可以存在不同的相态，像液态水和冰。在不同的相态里，物理学定律或者说你周围事物的状态，可以完全不同，甚至是产生翻天覆地的变化。
最著名的例子是由胡安·马尔达希纳（Juan Maldacena）发现的。这位年轻的弦理论学家提出，五维存在引力的时空和四维不存在引力的时空，需要两种不同版本的弦理论。空间维数不同，一种里面存在引力，另一种则没有，但是它们却应用了同一种理论。这说明了存在引力的弦理论已经不能应用于所有情况了。这个理论在某些情况下存在引力，在另一些情况下没有。
这个问题十分重要的原因在于，当你想量子化引力的时候，将会出现很多哲学问题，而这些问题在讨论不考虑引力的粒子物理学理论时是不存在的。例如，时间的自然属性。宇宙存在起点吗？空间和时间是突然出现的，还是一直在那里？这些都是非常好的问题，但根据之前的理论，我们无法回答。弦理论现在给了我们一个具体并且细致的框架，在这一框架下，原则上我们可以回答这些问题。实际上，我们可能需要付出很多努力才能达到这一目标，但是你可以将任何问题转换为在没有引力的普通场理论中的问题来解决。在这个理论中，时间没有起点，空间和时间是本来就存在的，就像普通粒子物理学中描述的一样。
我们从弦理论中得到很多量子引力的信息。无论这些信息是否属实，也无论量子引力在真实世界中是否存在，目前得到的信息依然是仁者见仁、智者见智的。因为存在太多种不同的时空形态，所以拥有一个新的相态很容易。这并不是说你有10种或者12种不同的可能性，然后你把它们与真实的宇宙去对比，然后找到对的那个。而是你有101000种甚至无限种可能性，然后你说，“好吧，一切皆有可能”。这样，你就陷入了证伪的问题中。当你可以从一个理论中得到些什么时，如何证明这个理论是错的呢？我的回答是，我们目前还不知道。但这并不意味着我们永远无法了解。
我们通过弦理论预言的另外一件事情是多重宇宙。这并不仅仅是一种可能性，而是说当你在宇宙的不同地点时，你将会得到不同的情况。如果将弦理论的观点同暴胀理论结合在一起，我们就可以想象我们所观测到的宇宙，也就是我们目前居住的宇宙，其实只是一个更大结构中的一部分，而这个大尺度结构与我们目前所处的环境有很大不同。
人们总会问我：“作为一个科学家，你怎么可以说出这样的无稽之谈？你说的这些东西我们永远也无法通过观测来验证。”你需要铭记于心的一点是，多重宇宙并不是一个理论，而是一个理论所预言的结果。这个理论包含了弦理论和暴胀理论，它预言了可观测宇宙之外还有更大的区域，在那一区域中，情况与我们所知的一切大相径庭。这种差别十分重要，因为只有这样，即便我们不可以直接检验多重宇宙，我们也可以用其他方式来验证这个理论。多重宇宙的观点可能会改变我们对可观测宇宙中一些具体事物的看法。比如，它可以说我们宇宙中的真空能并不是问题，因为我们只是众多宇宙中的一个并不具有代表性的区域。
这个冗长故事的简洁版本是，我们正处于一个长期项目中。我们通过弦理论使量子力学和万有引力实现互洽。虽然并不知道这一理论是否正确，但我们的确在不断改进。而那些我们不知道确定结果的问题，像大型强子对撞机、引力波探测或者宇宙学等实验，我们并不知道这些实验的结果怎样。但无论怎样，这些问题也都不能证明弦理论是错误的。我们一方面要推动实验继续向前，深入挖掘，更加了解宇宙学、暗物质和暗能量，同时也要推动理论继续向前发展。将其发展至一定的水平，就可以预测我们某些未来实验的实验结果。
我们需要一些可以由现在推知未来的观点，就我个人来说，我们希望是理论方面的观点。大多数情况下，实质性的进展都是从实验方面获得的，不仅是实验方面，而且是你从未在意过的实验中得到了出人意料的结果。目前人们正在做的实验有一些大型试验，比如探测引力波的LIGO、寻找新粒子的大型强子对撞机；还有一些小型的桌面实验，比如寻找牛顿引力理论的偏差、寻找自然界中的弱相互作用力，或者难以探测的新粒子。我必须要指出的一点是，在这些实验中，某些实验非常可能会以出人意料的方式来打破我们现在僵化的思维，给我们带来新的灵感。
关于宇宙学的基本观点，我有些离经叛道的想法。阿兰·古斯所倡导的、安德烈·林德和保罗·斯坦哈特等人推崇的宇宙暴胀理论是一个非常不错的理论。我认为，暴胀理论对于宇宙历史的阐释有一部分是正确的，即宇宙从非常小的区域以极快的加速度向外膨胀。然而大部分人，甚至包括提出这个观点的人，对于暴胀的理解都是错误的。他们过于乐观地认为暴胀解决了早期宇宙可能出现的一切问题。这种感觉就像将暴胀视为告解，抹去了之前所有的罪恶。我认为这是不对的。如果我们不将宇宙一开始为何发生暴胀这个问题纳入考虑范围，那么我们将无法解释那些需要解释的问题。有许多人认为这个问题是不需要回答的，因为一旦暴胀发生，它将回答你提出的所有问题，而这种想法本身就是错误的。
当我在研究生阶段阅读这些不同角度的文章，并且学习他们提出的不同方向的观点时，我读过罗杰·彭罗斯的文章，他对当时正流行的暴胀理论的守旧经验提出了质疑。彭罗斯不断重申自己的观点：暴胀理论并不能回答我们好奇的问题，因为它不能解释早期宇宙为什么处于低熵状态。这一理论阐释了宇宙如果开始于一个比以往假设更低的熵的状态，那么宇宙将沿着目前我们所知的过程进行演化。当然如果你要提出这样的假设，所有的事实都与其相符，但是彭罗斯说我们并没有理由作出这样的假设。我读过那些文章，并且知道那里面提到过一些更有说服力的观点，但我想彭罗斯可能遗漏了一些，我暂时不予理会。
之后我读了一些澳大利亚哲学家休·普莱斯（Huw Price）的文章，他提出了基本类似的观点。他说，对于宇宙的熵，宇宙学家们闹了一个大笑话。他们假设早期宇宙处于低熵状态，晚期宇宙处于高熵状态。但是事实上，根据物理学定律，并不会有如此不对称的状况发生。物理学定律在深层级上对过去和未来是相同的。但宇宙学对待过去和未来却是不同的。
你可以从这个角度来考虑。如果你在宇宙中飘荡，那对你来说上下左右并没有什么不同，空间中并没有什么特殊的方向。在地球上，是因为地球在我们脚下，所以才会产生上下方向上的偏好。正是因为这个特殊的物体才会在空间中产生方向的指向，比如上和下。同样，如果你处在一个空的宇宙中，那么过去和未来并没有任何不同。时间的一个方向和另一个方向并没有任何差别。
而现在这个时刻我们在房间，或在厨房炒鸡蛋或者将牛奶倒入咖啡中时感受到了时间的方向，并不是因为我们处于一些特殊物体的周围，而是因为我们处于某些特殊事件的余波中，而这一特殊事件就是大爆炸。大爆炸启动了世界上所有的时钟。当我们开始研究人类是怎样进化的，为什么永远是先出生后死亡，为什么我们可以记住昨天的事情，而不能记住明天将要发生的事情……所有这些过去和未来的不同表象都拥有同样的源头。这个源头就是大爆炸的低熵状态。
就这个问题，其实早在19世纪，热力学的大佬们波尔兹曼和麦克斯韦，在试图搞清熵作用的原理和热力学的作用原理时，就已经触及了。波尔兹曼成功地定义了熵，并且阐明了低熵状态会向高熵状态发展。这就是我们所说的热力学第二定律。但是他被卡在了一个问题上，即熵为什么从低的状态开始。他应用了一系列理论，也就是今天宇宙学家们依然在使用的那些。波尔兹曼创造了多重宇宙理论、人择原理、宇宙的某些区域与其他区域不同并且我们生存在一个并不特殊的区域中等诸多理论与理念。但是他并没有在他的众多理论中选定一个最终答案。这是一个非常有意义的决定，因为到目前为止我们也不清楚到底哪一个才是正确答案。我们可以解释为什么记得住昨天而不是明天，但这只能建立在我们假设宇宙从低熵状态开始这个前提上。
我喜欢称观测宇宙学为最容易入手的科学。每当你将牛奶倒入咖啡，看着它们混合，并且意识到你不可能再将牛奶从咖啡中分离出来时，你都在思考大爆炸理论中最为深远的一个方面，思考那些关于最早期宇宙的问题。这是真实宇宙给我们的关于基本物理学定律如何作用的线索。目前我们仍不知道如何将这个线索应用于解决悬案。我们仍不知道这本侦探小说的结局，也不知道谁是导致宇宙如此的幕后黑手。但是对这些问题的重视，本身就是我们尝试去了解可观测宇宙是如何融入一个更大结构中所迈出的重要一步。
08 我们是被模拟出来的吗？
目前这个时代对宇宙学家来说正是黄金时代，因为我们终于可以根据过去多年的研究描绘出宇宙的基本轮廓。例如，现在我们可以说，宇宙的主要组成部分为4%的原子、25%的暗物质以及潜伏在真空中的71%的神秘暗能量。这让我长达35年的宇宙学研究生涯终于尘埃落定。
我们也了解了空间的形状。宇宙是“平的”，从技术层面来说，也就是就算我们画一个超级大的三角形，它的内角和也等于180°。而在几年前，我们是不敢轻易得出这个结论的。宇宙学目前已经进入了一个全新的阶段。
在科学领域，一个巨大的进步往往伴随着一系列新问题。而目前我们重点关注的，的确有两种不同方向的问题。
第一组问题是关于客观环境的。我们试图弄清楚，140亿年前的宇宙如何从大爆炸开始，最终形成了我们今天所看到的复杂结构，充满了恒星和星系；在某些星系中如何诞生了恒星和行星；至少一个行星上，生物过程如何得以发展，并使原子组合成了像我们一样的生物，让我们现在有机会考虑这一切问题。追寻宇宙如何由简到繁，是一个永无止境的过程。回答这些问题，我们需要建立更多模型，并且要应用目前灵敏度最高的望远镜以获得全波段数据。
另一组问题如下：
●为什么宇宙会如此膨胀？
●为什么宇宙的组分不是其他比例，而是目前的4%、25%、71%？
●为什么宇宙现象都可以用目前物理学家所研究的那些理论来解释？
我们目前可以用一种全新的角度来解释这些问题。传统观点认为，自然界的各种规律是独一无二的，它与不知道如何产生并且符合这些自然规律的宇宙本身没有任何关系，是本来就存在的。
我曾经非常迷惑，为什么自然规律被设定成这个样子，允许大量复杂事物的存在。这是个谜，因为我们可以非常容易地就想象出一套自然规律，它和我们目前所观察到的相差不多，但它所产生的宇宙却比较乏味。例如，这个宇宙中只有暗物质而没有任何原子；或者只存在氢原子而没有更复杂的粒子，所以在这个宇宙中化学过程不复存在；这个宇宙中没有引力，或者引力特别强，把物质全部挤压得变了形；这个宇宙存在的时间极短，在演化前就结束了。
对于我来说，我们的宇宙为何如此“亲生物”，一直是一个谜。为什么宇宙允许复杂事物的存在？用数学领域的一个例子来类比。回想一下曼德勃罗集合（Mandelbrot Set），你可以利用一个非常简单的公式和运算法则来描述一个层层累积的复杂结构。你可以写出一个与其类似的公式，应用同样的运算法则，但是描述的却是一个单调结构。让我一直百思不得其解的问题是，为什么决定我们宇宙的那些“公式”或者“运算法则”，拥有如此丰富的计算结果，而不是“计算”出一个不存在我们这些复杂生物的乏味宇宙。
在过去的20多年间，我一直怀疑这个问题的最好答案或许是：我们的宇宙并不是独一份的，甚至自然界的规律也并非只有这一种。或许存在很多种不同的大爆炸，它们会向不同的方向膨胀，由不同的物理学原理主导，而我们只是处于最为宜居的那个宇宙中。这个想法与我们对行星或者行星系统的看法类似。
人们过去常常想，为什么地球这个围绕着一个并不特殊的恒星、以并不特殊的轨道运动的行星上会有水，甚至承载了生命的进化。这看起来是有一定规则的。但是目前我们并未察觉任何值得关注的细节，因为我们知道有上百万个恒星周围存在行星系统：在这么庞大的数字中，总有某些环境是适宜生命生存的。而我们恰好就生活在了这个小子集中的一个“元素”上。所以，看起来存在“内幕”的地球轨道，其实只是因为我们恰好生活在了对的环境中而已。
大爆炸理论只是诸多理论中的一种，这一理论吸引了不少目光。就像我们的地球恰好属于适宜生命生存的那个集合一样，我们的宇宙、大爆炸都是允许生命产生，允许复杂事物存在的子集中的“元素”。这个想法在一开始只是一个猜测，用于解释我们宇宙的种种和谐，顺便根除那些所谓的“神的指示”——自然规律。
在过去几年间，支持多重宇宙这一观点的理论基础得到了加强，并且多重宇宙的尺度也比我们之前所想的更加宽广。而理论基础的增强，得益于目前解释自然规律最好的理论，超弦理论（superstring theory）。超弦理论认为，宇宙应该有很多种可能的形式，并且存在很多种可能的自然规律。
一开始，我们以为这个方程组只存在一个解，只有一个三维宇宙，一个可能的真空态和一套可能的自然规律。但是现在看来，根据专家的说法，我们有着庞大数量的解。事实上，伦纳德·萨斯坎德声称，宇宙的种类比我们目前宇宙中原子的种类还要多。这些宇宙组成的系统将比地球的生物圈还要错综复杂。这实在是一个让人瞠目结舌的想法，尤其是当我们认为这些宇宙都是无穷大的时候。
乍看上去，你可能会觉得无穷个无穷大的东西会让你手足无措。要解决这个问题，我们需要利用一个叫作超限数理论（transfinite number theory）的数学方法，这个理论在19世纪由德国数学家康托尔（Cantor）所建立。就像很多物理学家已经开始利用纯数学的知识一样，这个十分晦涩的理论也开始被应用于物理学领域，因为我们需要解决无穷个无穷大。而事实上，或许甚至在无穷之上还有更高的层级：除了我们的宇宙是无穷大以外，还会有无穷多种自然规律，我们想将量子力学中所谓的多重世界理论（many-worlds theory）包含到我们的理论中。每个经典宇宙，都被无穷多个叠加宇宙所替代，所以当需要做量子选择时，就会存在多种可能。这个极其复杂的结构是根据某些存疑观点建立的，而目前这些观点的正确性正逐步得到证实。21世纪最激动人心的发现，就是利用新的数学和宇宙学结论得到这些结果。
我们的宇宙其实只是某些无穷大的一部分，这就允许了在和我们同样的时空中存在很多我们的复制品，只是远离我们的观测范围所以看不到罢了。就算是无穷大的宇宙，也只是被众多不同宇宙包围的其中一个罢了。这就是宇宙学和某些弦理论所描绘的轮廓。我们所称的自然规律并不是普适的，它只是我们这一宇宙碎片中的局部规律而已，在整体中其他地方还会存在符合不同区域的局部理论。
我最近想到了一个问题，而这个问题令我非常不安：一旦接受了以上理论，我们就陷入了一系列有关物理实在本质的问题。这是因为在其他宇宙中甚至在我们的宇宙中，肯定有很大的可能性存在比地球生命更高级的生命。我们可能并不是地球上生命进化的顶点，地球的未来和从单细胞生物进化到我们的时间长度一样。在后人类时代，生命将会离开地球。在其他宇宙中，存在生命和更为复杂事物的可能性会更大。
生命和复杂事物意味着承载信息的能力，所以最为复杂的事物可能不是有机体，而是某种大型计算机。一旦你接受了这个观点，即在我们的宇宙中或者在其他宇宙中存在极端复杂的事物，超越人类的大脑，超越我们目前拥有的计算机，甚至接近赛斯·劳埃德所提出的计算机极限，你将会得到不同寻常的结论。这些超级计算机不仅可以模拟物理实在的某些简单部分，甚至可以模拟整个宇宙的一部分。
那么问题来了：如果模拟的部分甚至超过了宇宙，那我们会不会只是被模拟出来的？我们会不会并不是我们所想的物理实在的必备部分？我们会不会只是某些超人类的想法？如果真是这样，那么是谁进行了这些模拟？如果模拟部分超过了宇宙本身，就像一个宇宙中有很多这些超级计算机进行了很多模拟，那我们很可能只是“人造生命”。这种观念开启了时间旅行的一种新的可能性，因为那些模拟了宇宙的高等生命，实际上只是重演了过去。在传统意义上来说，这并不是时间跳跃，而只是过去的重建，从而使得高等生物可以探索他们的历史。
所有这些多重宇宙的观念都促使了宇宙学和物理学的结合。但同时也得出了一个结论：我们有可能并不是最基本的物理实在，可能只是被模拟出来的。这种想法模糊了唯物论和唯心论、模糊了自然和超自然的界限，这会导致一个可能性：我们诞生于某种母体（matrix）中而非物理学规律下。
一旦你接受了多重宇宙这个观点，接受某些宇宙可能有高阶生命，那么你就可以得出这样的结论：在某些宇宙中，它的其中一部分会自我模拟，导致你进入一种无限回归状态。因而，你无法确定物理实在从何时开始被思维替代，也不知道自己是处在真实的宇宙中，还是处在模拟的宇宙中。
多重宇宙改变了我们对自己和所处位置的看法。传统宗教想法太过狭隘，并不能将思维和宇宙的复杂性包含在内。我们期望能有一个全新的观点来解释这个问题。思维和物质之间的分歧是目前我们无法解释的。当某些思维进化到可以产生其他思维时，自然和超自然间的界限也就不再清晰。
我对宗教的态度具有两面性。首先，根据目前的宗教活动来看，我是欣赏且乐于参与的，但是我对与其互通有无持怀疑态度。除了那些天真的神创论以及与其类似的思想之外，宗教和科学之间本没有冲突。但与某些基金会成员不同，我认为神学观点无法帮助我解决某些物理学问题。我十分乐意和哲学家甚至某些神学家讨论他们的工作，但我觉得他们并不会给我带来什么帮助。所以相比于科学和神学间的建设性对话，我更倾向于两者的和平共存。
我十分关心21世纪的科学所带来的挑战和机遇以及如何应对它们。有一些非常棘手的危机源于科学，所以我们必须接受我们对科学热情的减退，以及科学对社会所带来益处的减少。我相信这样一种观点，在21世纪末，我们的文明将有50%的可能性发生一次非常严重的倒退。很多人觉得这种观点太过悲观，但是我却不这么认为。单单只考虑核威胁，这种可能性都是存在的。
回顾“冷战”时期的历史，我们侥幸逃过了一次大毁灭。但在古巴导弹危机40周年的纪念活动中，很多人回忆起当时的情况都会提到，当时整个世界简直是命悬一线。多亏了肯尼迪与赫鲁晓夫的英明决策和快速应对，才使世界避免了一次灭顶之灾。只要类似“冷战”的事件重演，对我们来说又将是一次不可避免的灾难。那些超级大国的核军火库的爆炸威力平摊到每个美国和欧洲居民头上的话，相当于每人受到一个美国军方目前所使用的杀伤性炸弹的伤害。一旦发射，所有的一切都将被毁于一旦。
随着“冷战”的结束，我们所受到的威胁的确明显变小了，但如果我们考虑一下一个世纪之后的事情，并不能保证目前稳定的政治格局可以一直维持下去。20世纪发生了两次世界大战。在下一个百年中，因为核武器已经存在，很有可能还会出现与“冷战”类似的僵局，这种情况带来的恐惧或许要甚于当年，因为参与者可能不只两个国家，更多的参与者将导致更严重的动荡。即使只考虑核威胁，那也有很大的可能性（或许是50%）发生一次天翻地覆的灾难，导致我们的文明倒退。
而事实上，除了核威胁以外，还存在很多新兴威胁。在过去的一个世纪中，不仅科技进步的速度远超从前，其广度也在不断增加。截至目前，根据所有历史记录来看，一直保持不变的，只有人的本性和人类体质；尽管科技和环境都在变，人类本身却并未变。在这个世纪，人类将开始改变自身。随着基因工程的发展，科学家们开始使用靶向药物，甚至靠移植大脑来增加脑容量。这些看起来像科幻小说里的情节，都开始一一实现。很多基础领域的发展，像生物科技、纳米技术、人工智能，开启了一个更加激动人心的新世界。但或许同时也打开了一个潘多拉魔盒，我们必须面对潜在的社会危害甚至灾难。
想通过这些新技术获益而避免灾祸，我们无疑要十分慎重。就近期来说，最严重的威胁可能来自生物科技和基因工程的发展。根据美国科学院发表的一份非常权威的报告，随着基因工程的发展，越来越多的人可以接触到这项技术，并利用它改造某些病毒，而使目前某些已有的应对疫苗失效，导致流行病扩散。
而我意识到的最可怕的事实是，完成这个工作并不需要一个庞大的恐怖组织，类似纵火犯这种心术不正的人就可以完成。他们可能会利用某些病毒。一旦这种病开始流行，也许可以将其限制在发生地城市之内，但根据SARS期间的经验来看，传染病将会很快扩散到全世界，而只要它到达某些第三世界国家的大城市，就如脱缰野马一样再也无法被人类控制。美国《连线》杂志曾经有过这样的预言，20年后，一例生物学差错或者一次生化恐怖袭击将会导致死伤上百万人的灾难。这并不是过度悲观：只需要一个怪人向第三世界国家投放一个病毒。这是一个让人深感恐惧的可能性，因为根据目前的技术水平，这是完全可能发生的事情。这种技术需要的仪器尺度非常小，要控制它也是不太可能的。由于这些技术会被应用于有着良好目的的实验中，所以除非完全停止药物和生物科技的研究，否则这种威胁将一直存在。
可以预见，一旦这样的事情在美国发生一例，之后会发生什么。假设有一种传染病，虽然不会造成大量人员死亡，但是这种传染病是由某些怀有恶意的人或者无意的人释放出的经过基因改造的病毒所致。所有人都知道，这种事情可以发生一次，那就可以发生第二次。唯一可以防止再次发生的方法，就是将每个拥有这项技术的人都登记在册，对他们进行监视和管理。所以一旦发生这种事件，一些研究者的基本人身自由将被限制，对科学产生强大的“后坐力”。这是近期我最为担心的一个问题。
作为一个宇宙学家，并不会使我对明天、下周甚至明年的担心少于其他人，但确实给了我另一种看待问题的方式，因为宇宙学家了解在遥远的未来将会发生什么。大多数受过教育的人都知道，人类是自然界百万年来演化的产物。经过约40亿年的自然选择，我们才从最初的微生物进化而来。但尽管如此，大多数人都认为或者潜意识中认为，人类是生物进化的顶端，是自然选择的最终结果。
任何一个学天文学的人都知道，太阳目前只度过了其一生的1/2，而我们的宇宙是无穷无尽的。自然界继续向前进化的时间至少和进化至今的时间是相等的，所以后人类阶段的进化时间至少等于从单细胞生物进化至人类的时间。因此你可以仅仅通过阅读科幻小说，就可以得到这样的结论：地球上的生命将继续进化，甚至更有可能散播到地球之外；如果时间足够长，或许地球上的生命可以遍及整个银河系。而事实上，这样长的时间的确存在。
作为一个宇宙学家，我深知，如果我们在这个世纪毁掉地球目前的环境，我们对未来的长期预测终将成空。这种观点给我们以更大的动力，来珍惜这个宇宙中非常脆弱的蓝色小点。因为在遥远的未来，她将承载那些可以走出地球的生命。
我已经在宇宙学领域工作了35年，而其中最能使我保持初心的一个原因是，宇宙学发展的脚步从未停滞或减缓。20世纪60年代是一段非常令人激动的时期。在那段时间内，天文学家们第一次找到了大爆炸发生过的证据。也是在那段时间内，人们发现了第一个高红移类星体、第一次发现了黑洞和中子星存在的证据，等等。20世纪60年代，作为一名年轻的宇宙学家是十分幸福的，因为这些新发现，老天文学家们经验的适用度大打折扣，所有的一切都要从头开始。
而在过去三四年间发生的事情与我印象中的任何时期一样，令人激动不已。在宇宙学中，我们不仅有许多奇思妙想，像宇宙如何开始、复杂结构如何发展、额外维度不同可能性的作用等，我们也有了很多新的证据来限制宇宙的某些重要参数。我们都知道宇宙是平直的，原子构成了人类、恒星、行星以及星系，这些普通物质总共占了宇宙的4%；宇宙中25%是为星系提供引力束缚的神秘暗物质；剩下的71%则更加神秘，它们是潜藏在真空空间的暗能量。解释暗物质对物理学家来说是一个挑战：它可能是大爆炸后残留下来的某些粒子。
解释暗能量则更使人沮丧。超弦理论学家认为这是对他们理论的最大挑战。因为暗能量的存在意味着，我们生存的空的空间中或者说真空中，并不是如我们认为的那样平淡无奇，它存在一种有明确定义的能量和张量。而这种暗能量又影响了整个宇宙的动力学特征，使宇宙的哈勃膨胀是加速的。
另一个非常重要的进步，是对宇宙结构的理解。将这个问题放在整个宇宙的演化中，我们可以想象宇宙从一个炽热的火球开始，不断膨胀，温度降低，辐射减弱，波长增长。在大概50万年后，宇宙进入了所谓的“黑暗时期”，因为温度的降低，辐射转移到红外波段，在可见光波段进入黑暗时期。黑暗时期一直持续到第一代恒星形成，重新点燃整个系统。
我试图弄清这一切是如何发生的，并将此作为一项长期兴趣。近期依靠某些地面大型望远镜以及WMAP卫星，我们从观测上得到了一些新的线索，并且可以通过计算机来模拟宇宙中第一个结构是如何形成的。我们试图通过将理论和观测相结合的方式，来搞清星系的形成阶段，从比星系小很多的结构开始，第一代恒星如何形成，它们如何聚集在一起形成星系。像氢、氦一样的简单原子，如何在第一代恒星中变形成碳、氧、硅和铁这些重元素，而它们同时也是组成行星和人体的元素。
我们也需要了解多久之后第一代行星出现，多久之后第一个潜在生命出现，多久之后这些亚结构才会形成大的星系。通过观测数据，我们获得了越来越多的线索。而这些观测数据无一不是利用目前世界上最为先进的望远镜得到的，其中最大的一个是欧洲南方天文台（ESO）在智利建造的甚大望远镜（VLT）。这个望远镜由4个子镜组成，每一个口径都为8米，4个望远镜可以连接到一起作为干涉仪使用，以提高观测精度。
这些巨大的望远镜让我们可以探测更加微弱和遥远的天体。你看到宇宙中越远的地方，你就追溯到了越久远的时候。目前的目标是看得足够远，这样我们可以直接看到星系的形成时期，甚至看到星系形成之前第一代恒星的形成时期。
这种可能性是建立在我另一个研究领域——伽马暴之上的，这是宇宙中最为强烈、能量最大的爆炸。伽马暴实际上是某种特殊的超新星以一种极其激烈的方式，结束自己的一生时所产生的爆炸。由于其能量非常高，所以我们甚至可以探测到第一代恒星产生时期的伽马暴。如果某些第一代恒星死亡时产生了伽马暴，那我们可以利用它们来探测星系形成的最早期阶段，也即黑暗时期如何结束以及宇宙中的结构如何建立。这些大型望远镜可以给我们一个机会来窥探宇宙过去不同时期的样貌。
目前天文学领域在研究宇宙结构方面已经取得了惊人的成就。但是如果让我再提出天文学另一个激动人心的进展，毫无疑问我将会谈到我们对大量行星系统的发现。1995年，天文学家才第一次发现了在类太阳恒星周围存在行星的证据，而现在类似的行星系统已经发现100多个。一种非常可能的猜测是，我们在天空中看到的恒星，大多数周围都存在行星系统。
10年或者20年之后，“仰望天空”将是更加有趣的体验，因为我们不只能看到恒星在闪烁，还可以了解关于其周围行星的一些性质，比如它们的质量、运行轨道，或许还可以看到最大行星的地表地形。这会使夜空变得更加有趣，宇宙变得更加丰富多彩。虽然大多数行星并不宜居，但天文学家会找到其中与地球更为相似的伙伴。这就会引发人们对宇宙地外生命的关注。我们可以分析来自这些类地行星的光，去探索这些行星的大气层中是否存在臭氧层，而臭氧层是生物过程存在的一个重要标志。对于其他行星上是否存在生命，这也给了我们一定的线索。当生物学家通过实验或者计算机模拟了解了生命的起源之后，这种设想或许可以实现。我非常看好在未来20年内，我们会充分理解生命的起源，我们会知道地球上的生命是否可以遍及宇宙，我们或许也可以指出围绕某颗恒星的行星上可能存在生命。
还有另外一个问题：简单的生命是否都可以进化到我们所称的智慧生命或更复杂的生命呢？这个问题非常难回答。有些人说，从简单生命进化到复杂生命的过程中要经历很多障碍，而地球上的生命非常幸运地冲破了这些障碍。还有一种观点认为，无论怎样，生命都会找到自己从简至繁的方法。在我的朋友和同事中，就存在这种观点的差异。
作为一个天文学家，我经常问这样一个问题：“我们总是试图在不同程度上解释庞大的星系或者距离我们十分久远的大爆炸，无论我们对自己的看法很自信或者持怀疑态度。我们这样做是不是有些放肆？”我对这个问题的看法是，使事物变得难以理解并不是因为尺度有多大，而是因为结构过于复杂。对星系或者大爆炸来说，它们有一些共同的特点，例如它们不像昆虫一样具有层层叠叠的复杂结构。所以，理解生命的复杂性相比于大尺度的星系或者小尺度的原子来说，难度更大。
有趣的是，这个宇宙中最复杂的人类，却是非常明确的，他们处于原子和恒星的尺度之间。很多很多人的质量加起来才相当于太阳的质量，而一个人又是由大量原子组成的。有一个非常精确的表述：质子和太阳质量的算术平均值约为55千克，与人类的平均体重处于同一量级。这是一个出乎意料的巧合，但意料之中的是，最复杂的结构就是在这样一个介于宇宙宏观世界和微观世界之间的尺度上。任何一个复杂的事物都由大量原子构成，并且有层叠的结构，与原子相比它的尺度要非常大。另一方面，这也存在一个上限，因为任何结构一旦过大就会被引力扭曲。地球上不可能存在身高为2000米的生物，这个道理从伽利略时期就已经被提出了。而那些拥有恒星或者行星尺度的物质内部在引力的作用下，不会留存任何结构。所以结论非常明晰，复杂的结构必然存在于中间尺度上。
展望下一个20年，我期待对大爆炸的研究会更进一步；通过计算机模拟和观测之间的结合，我期待对宇宙结构及其产生能有更深刻的了解。我们或许可以尝试整合计算机模拟、观测以及生物技术，来探究行星的形成以及生物圈的进化过程。
宇宙学仍旧保持其活力，我仍旧对其充满热情。不仅因为其发展迅速，还因为其正面的形象不会对公众产生任何威胁。这使它与其他高收益的科学，如基因技术和核技术，都不一样。而且天文学是一个拥有广泛群众基础的科学。如果我只能对几个专于这方面研究的人诉说我的研究结果，那我对自己的满意度将会大大降低。对天文学来说，大众对宇宙起源的兴趣就像额外福利。就像20世纪的进化论一样，宇宙学和基础物理学目前也成了大众文化的一部分。达尔文试图了解地球上的生命如何进化；我和其他宇宙学家试图将地球放在整个宇宙中，追寻组成它的原子的来源，也就是回到大爆炸时期。大众对一切如何开始十分感兴趣：宇宙是否有起点，又是否有终点？
作为研究者，我们十分幸运，因为我们在解决大众好奇的问题。这让我们可以从大的地方着眼。我的意思是，在科学研究中，我们一般都会关注于自己可以解决的一小部分问题，只有那些“怪人”才会试图一次性解决一个大问题。如果你问一个科学家在做什么工作，他们并不会回答说自己在“试图治愈癌症”或者在“试图了解宇宙”，他们会指出非常具体的问题。而每一种进步都是为了每次解决的一个小问题。虽然这样的方法没有错，但有些时候，一味这样下去，会让人失去全局意识。而大众总会提出一些大问题，一些非常重要的大问题，这帮助我们看清，只有通过这些小努力在向解决终极问题一步步迈进的情况下，这些努力才是有价值的。
09 从思考本质着手
我总会问自己这样一些问题，宇宙学是一个将万事万物都集合起来才可以解决的问题，那么如何进行研究？如何提出一个可以将宇宙作为一个整体来研究的理论？目前这个时代被称为宇宙学的黄金时代，从观测角度来说，这是毋庸置疑的。但从理论角度来看的话，这个时代简直可以说是宇宙学的灾难性时代。我们脑中尽是一些疯狂的想法。我总是试图回到最基础的地方，去研究基础理论、基础法则，试图通过物理学理论来描绘整个世界。
数学目前又扮演了怎样的角色呢，数学如何被引入物理学之中？时间的本质是什么？这是两个关系非常密切的问题，因为数学表述一定是与时间无关的。从20世纪80年代到现在，我的想法发生了巨大的转变，今天我所提出的观点，与我的起点已是背道而驰。我将一点一点地介绍我的思想转变过程，并介绍在这一过程中我所面临的困难和问题。
最初，我们从一个非常简单的物理情境开始，我将它称为“盒中物理学”，或者称为小孤立系统理论。我们解决这种问题的方式是去计数，或者列出一个表格，在上面记录这个系统的所有状态。这个系统如何存在？可能的分布方式有哪些？可能的状态有哪些？如果有一瓶可口可乐，那么瓶中原子的位置和状态都有哪些可能？一旦得到了这个“表格”，我们是否就可以继续发问“状态之间怎样转化”？
在回答上述问题的时候，有一种潜藏的原子论观点，它由德谟克利特和卢克莱修提出，那就是，物理学只是关于原子在空间中的运动，原子本身并不会发生变化。原子具有某些特征，比如质量和电荷，这些特征是不会随着时间变化的。而原子运动的空间，根据过去的观点来说，也是不会随着时间变化的。所以空间是固定的，原子在其中以一定的规律运动，这个规律最早由笛卡儿和伽利略提出，由牛顿将其完善。直到近代物理学产生，当我们用量子力学来描述粒子，这些规律依旧不变。当我们知道所有原子在某一时间点的位置，那么根据这些规律，就可以推得这些原子在之后任一时间点的位置。这就是我们进行物理研究的方式，我们将它称为牛顿范式，因为这是由牛顿发明的。
在牛顿范式背后隐藏的观点是，这些自然规律全都是依赖于时间的。它们作用于系统，举个例子来说，从系统外作用，从过去演化到现在再到未来。如果你知道任意时刻的状态，就可以推测另一时刻。这就是物理学研究的基本框架，目前来说是比较成功的。当然，当其作用于宇宙的一小部分时，它的正确性毋庸置疑。
而我指出的问题，在我看来是植根于我们目前所有工作的根本问题，同时也是困扰了当代物理学家和天文学家的问题：我们并不能直接将这种方法应用于整个宇宙这样大的尺度上。如果你这样做了，就会得到一系列你无法回答的问题。你最终得到的结果也只能是个谬论或者某些愚蠢的观点。无法解决的其中一个原因是，当面对宇宙学尺度的问题时，我们想知道的不再只是“规律是什么”，而是“为什么是这些规律在主导，而不是另外一些？这些规律从何而来？是什么使其发展至今”。如果这些规律是被植入到这些方法中的，那么利用这些方法将无法解决以上问题。
同样，如果给出宇宙某一时刻的状态，利用这些规律我们可以预测之后某一时刻的状态。但是，初始时刻的状态是由什么导致的呢？根据之前的观点，当然是初始时刻之前发生的某些事情导致的，所以我们要追溯到更久远的时候。而那一刻的状态又是由什么导致的呢？就这样，我们不停地向回看，最终回到了大爆炸时刻。我们为什么现在坐在这个房间中？为什么地球以目前的轨道围绕着太阳公转？解释这些问题的所有方式都是不停地向前追溯，利用这些规律，达到一切的最初始状态——大爆炸。
那接下来我们就会问了，为什么我们会选择目前这些事件作为初始状态？它们有什么独特之处吗？现在我们将采用另一套理论体系来回答这些问题，不再讨论例子和牛顿范式，我们利用量子场论。但是，问题依旧未变：初始状态如何被确定？当我们将这些初始状态与建立在牛顿范式上的方法相结合，就无法利用这种方法来解决这个问题。所以如果我们想提出一些宇宙学问题，如果我们真的想解释宇宙中的事物，那我们需要另外一套方法、一个全新的起点。而如何寻找这种新的方法，从20世纪90年代初开始就成了我的“心头大患”。
目前，关于这个问题的思考已经不新鲜了。美国哲学家查理斯·桑德斯·皮尔士（Charles Sanders Peirce）在19世纪后半叶就提出了我之前提到的问题。但是他的想法并没有对大多数物理学家产生影响。事实上，在我接触到皮尔士的文章之前，就已经思考过关于规律演化这个问题。但是在他的观点中，有很多我用很长时间去思索、我认为很重要的结论都被一笔带过，比如，如果想解决规律如何被选择这样的问题，我们就不得不假设规律是可以随着时间变化和演化的，它存在一个动态的过程。所以我开始尝试去找寻，并对这种动态过程提出一些假说，因为目前的现状是：我们要么成为所谓的神秘主义者，说“规律就是这样”，然后终止我们的研究；要么就要解释这些规律。而如果想解释这些规律，我们就需要这些规律变化的历史、演化进程以及动态变化的情况。
这对许多人来说是比较难以接受的。事实上，虽然从20世纪80年代到现在，我一直在思考这个问题，对我来说这也是一个新奇的观点。但如果你往回看，其实是可以看到一些先例的：在保罗·狄拉克（Paul Dirac）的某些手稿中，你会发现他提到了宇宙的某些规律在更早的时候和现在可能存在差异，所以它们必然存在变化。甚至费曼也提到过。我在网上找到了费曼的一段录像，他说：“这是我们所说的规律，可是这些规律如何随着时间的发展变为它们现在的样子的？或许物理学中真的存在所谓的历史因子。”你看，他其实是认为物理学与其他科学是不同的。因为物理学不像生物学、系谱学、天体物理或其他科学那样，存在历史因素。但他的话却以“或许物理学中真的存在历史因子”结束。在之后的采访中当被问到“如何处理这一问题”时，费曼的回答是：“不不，这太复杂了，我无法想象。”
