然而，古典逻辑学要求每个陈述必须是真或是假。因此，古典逻辑不是关于我们如何推理的描述。古典逻辑只适用于宇宙之外的人，即那些能看到整个宇宙并数出其中所有的猫的人。但是，如果我们坚持自己的观点，即宇宙之外没有任何东西，这样的人就不存在。因此，研究宇宙学需要一种不同形式的逻辑，即一种不要求每个陈述都能够被判断为真或为假的逻辑。在这种逻辑中，观察者对宇宙所做的陈述至少可分为三类：一类是能够判断为真实的，一类是能够判断为虚假的，一类是目前无法判定其真假的。
根据古典逻辑学的观点，一个陈述可以被判定为真或为假，这个问题是绝对的，因为它只依赖于陈述，并不依赖于做判断的观察者。显而易见，在宇宙中，这是不正确的，其原因与前文所述密切相关。一个观察者只能看到宇宙的一个部分，而且，他能看到的那一部分还取决于其在宇宙历史中的位置。我们可以判断关于英国辣妹组合的陈述是否属实。但是，与我们在时间轴上相距140亿年以上的观察者则不能，因为他们无法收到任何让他们怀疑或相信这种现象存在的信息。因此，我们可以得出这样的结论：能否判断一个陈述的真实性，在某种程度上取决于观察者与陈述对象之间的关系。
此外，10亿年后的地球上的观察者将能够看到更广阔的宇宙，因为他们将会有150亿光年的视野，而不是我们现在的140亿光年。他们能看到我们能看到的一切，以及更多我们看不到的，因为他们能看得更远（如图2-1所示）。他们或许还能看到更多的猫。因此，他们能够判断出我们所能判断的一切陈述的真假，而且更多。或者假设有一个观察者，一如我们，他也生活在大爆炸发生140亿年后，但距离我们有1 000亿光年。许多宇宙学家认为宇宙的宽度至少有1 000亿光年，如果这是真的，那么在距离我们1 000亿光年的地方一定有智慧的观察者。但是他们所看到的宇宙与我们所看到的宇宙没有重叠。因此，他们所能够判断真假的陈述，与我们在地球上可以判断真假的陈述是完全不同的。如果有一种逻辑学能够普适于宇宙学，那么这种逻辑学必须可以让观察者决定陈述是否正确。与古典逻辑学假设所有观察者都能判断所有陈述的真假不同，这种逻辑学必须依赖于观察者。
图2-1 未来观察者能看到的宇宙
未来的观察者能比现在的我们看到宇宙更多的部分。斜线表示从过去向我们传播光线的路径。由于没有什么东西能比光传播得更快，我们过去所能看到或经历的任何事物都必须存在于由两条斜线所构成的三角形之中。在将来，我们能够接收到更远处的光，因此会看得更远。
物理学史上经常发生这样的情况：在物理学家发现一种新的数学需求时，数学家们常常已经提前发现了它。在做量子理论和相对论研究时，这种情况同样存在。在20世纪，数学家研究了我们在学校学到的标准逻辑的其他替代方法。最后，他们找到了一种逻辑形式，并称之为“工作宇宙学家的逻辑”，这种逻辑形式包含了我们刚才描述的所有特征。这种逻辑承认这样一个事实，即对世界的推理是由世界内部的观察者进行的，这些观察者在环顾四周的过程中，所获得的信息并不完整。因此，他们的说法可能是正确的，也可能是错误的。他们也可能认为，“我们现在还不能判断它是否为真，但将来也许能够知道”。这种宇宙学逻辑本质上也是依赖于观察者的，因为它承认世界上的每个观察者看到的都是宇宙的不同部分。
数学家似乎没有意识到他们正在为宇宙学发明正确的逻辑形式，因此他们采用了其他的命名方式。最初它被称为“直观逻辑”（intuitionistic logic），而最近得到研究的更复杂的版本被统称为“拓扑斯理论”。作为一种数学形式体系，拓扑斯理论并不简单，这也许是我遇到过的最难的数学内容。我对拓扑斯理论的了解主要来自福蒂尼·马可波罗-卡拉马拉（Fotini Markopoulou-Kalamara），他发现宇宙学遵循非标准逻辑，并发现拓扑斯理论适合宇宙学的分析。但拓扑斯理论的基本主题是显而易见的，因为这些主题描述了我们在这个世界上的真实状态，并且不单单是以宇宙学家的角度进行描述。在现实世界中，我们似乎总是在用不完整的信息进行推理。我们每天都会遇到一些陈述，以现有的信息尚不能判定它们的真假。显然，在我们的社会和政治生活中，不同的观察者可以获得不同的信息。同时，我们还意识到关于未来的陈述的真假可能会受到我们所选择做的事情的影响。
这对一系列问题都具有非常深刻的影响。这意味着，要判断决定的合理性，我们不必假装有某些超自然的观察者知道一切，只要不同的观察者如实地说出他们所看到的就足够了。如果我们遵循这条规则，就会发现当我们和另一个人都有足够的信息来判断某件事是真是假时，我们总是会做出相同的判断。
那些试图将伦理学和科学建立在一个全知观察者的最终判断之上的哲学家是错误的。我们即使不相信有一个全知的观察者也可以理性地生活，只需要相信一条伦理原则就够了，即观察者应该诚实地表达他们所看到的。如果坚持这一原则，那么，即使总会有我们不能回答的问题出现，也并不妨碍我们在所共有的世界的某些方面达成共识。
所以，拓扑斯或者宇宙逻辑学也是理解人类世界的正确逻辑。这种逻辑才是经济学、社会学和政治学学科的正确基础，而非亚里士多德的逻辑。尽管乔治·索罗斯（George Soros）的经济学方法（他称之为“反射理论”），无疑是朝着正确方向迈出了第一步，但在这些学科领域中，还没有人将拓扑斯理论作为其基础。不过，当宇宙学和社会学理论将我们引向同一个方向时，我们也不必惊讶。因为除非我们在其基础上建立一个简单的事实，即所有可能的观察者都必须在他们所研究的系统中，否则这两个学科是无法自然形成的。
03
宇宙学第三原则：观察者很多，但世界只有一个
到目前为止，我对量子理论还只字未提。如果没有量子理论，要进行宇宙学研究，就必须彻底改变我们原本的研究方法，甚至是逻辑推理都得推翻重来。只要想到所有宇宙的观测者都身处宇宙之中，任何对宇宙学的研究就都得改变原有的思维模式。这要求我们从一开始就得考虑到宇宙学对观察者的依赖性，建立自己的理论。必须承认的是，每个观察者都只能掌握关于世界的有限信息，不同的观察者将会获得不同的信息。
牢记这一点，我们来讨论如何将量子理论引入宇宙学。有读者可能会说：“量子理论本身就相当令人困惑，现在却要考虑如何将其应用于整个宇宙，那该从哪里入手呢？”有此疑问是可以理解的。但是，正如我将在本章中解释的那样，直接考虑如何将量子理论应用于整个宇宙，反而可能会使量子物理学变得容易理解，而不是难以接受。并且，我们在前两章中讨论的原理正是使量子理论易于理解的关键。
量子理论之所以令人费解，是因为它挑战了人们对理论和观察者之间关系的传统观念。这个理论也确实令人费解，以至于没有一个被普遍接受的物理学阐释。关于量子理论中现实与观察者之间的关系，众说纷纭，并无定论。诸如爱因斯坦、玻尔、海森堡和薛定谔等量子理论的创始人在这个问题上也没有达成一致。现在的情况也没好到哪儿去，因为我们有了另一种看法，这些科学家虽然足够聪明，却没有足够的想象力预见未来。所以，从爱因斯坦和玻尔在20世纪20年代第一次辩论到现在，人们对于量子理论的含义也没有达成更多的共识。
量子理论确实只有一种数学形式，因此，即使物理学家并不能就量子理论的确切含义达成一致意见，他们依然在继续探索并应用这个理论。这种情况可能看起来很奇怪，但它确实发生了。我就曾参与量子引力的项目，一切都很顺利，直到有一天，我和合作者在共进晚餐时发现，我们对量子理论的含义有着根本不同的理解。但当我们平静下来，意识到自己对这个理论的想法对正在做的计算没有影响之后，一切就又顺利进行了。
但这对那些外行人来说，并非一种安慰，因为他们没有数学基础。在只懂得概念和原理的情况下，发现不同的物理学家在其著作中对量子理论含义有不同的解释，一定会令人感到非常困惑。
量子宇宙论不但不阻碍，反而有助于量子理论的研究。因为，量子宇宙论限制了对量子理论可能的解释范围。如果我们坚持前两章介绍的原则，就必须放弃解释量子力学的几种方法，否则就无法把量子理论应用于空间和时间。宇宙之外什么都没有这一原则，以及我们今后将了解的更多原则，指出了一种看待量子理论的新思路，它比许多旧的想法更合理、更简单。随着量子理论在宇宙学中的应用，近年来出现了一种解释量子理论意义的新方法，并取得了一定的成果。这就是我想在本章中与读者交流的内容。
普通量子理论是关于原子和分子的理论。由玻尔和海森堡最初发展而来的量子理论，要求将世界分成两个部分。其中第一部分是正在研究的系统，它是用量子理论描述的。第二部分是观察者，以及研究第一部分所需的所有测量仪器。把世界分成两部分对于量子力学的结构而言是至关重要的，这个结构的核心是叠加原理（superposition principle），它是量子理论的基本公理之一。
叠加原理并不容易理解，因为它是用比较抽象的术语表述的。一不小心，就会导致含义被过度解释，远超证据所支持的范围。所以，我们要谨慎行事，花一些时间来研究这一重要原理的表述。
我们先来解释一下叠加原理。根据叠加原理，如果一个量子系统可以在A态或B态中找到，并且这两个态具有不同的性质，则它也可以在形如aA+bB的组合中找到（a和b为任意数）。每个满足这样形式的组合被称为叠加，并且每个组合在物理学上是不同的。
那量子到底是什么意思呢？让我们分解来看。要理解的第一点是物理学家谈论的“态”到底指什么。这一个词几乎包含了量子理论的全部奥秘。粗略地说，一个物理系统的态就是它在某个特定时刻的配置。例如，如果系统是房间里的空气，它的态就可能由所有分子的位置以及它们的运动速度和方向组成。如果系统是一个股票市场，那么它的态就是在某个特定时刻所有股票的价格表。一种说法是，态由在一个时刻能够完整描述一个系统所需的所有信息组成。
然而，因为我们不能同时测量一个粒子的位置和运动，在量子理论中运用上述概念就会遇到问题。海森堡不确定性原理认为，人们只能精确地测出粒子的位置、方向或运动速度三者中的一个。目前，我们没必要疑惑为什么会这样，这就是量子理论神秘的一部分。老实说，也没有人真正知道这是为什么，那不如来看看它可能带来的后果。
如果我们不能同时确定一个粒子的位置和运动，上述态的定义就没什么用。在现实中，包括位置和运动的确切态不一定真正存在，但是，根据海森堡不确定性原理，即使它存在于某种理想状态下，也不是一个可以观察到的量。所以，量子理论修改了态的概念，使它唯一指代那个尽可能完整的描述，尽管依然受到海森堡不确定性原理的限制。既然不能同时测量位置和运动，那么系统的可能态就可以是它的确切位置的描述，也可以是它的精确运动的描述，但不能同时是位置和运动的描述。
或许这看起来有点抽象，也可能很难去思考，因为思想在反抗：若一个人的第一反应是不相信，就很难理解像海森堡不确定性这样的原理引起的逻辑后果。虽然我本人也并不真的信服，我也觉得自己并不是唯一有这种感觉的物理学家，但我仍然坚持使用它，因为它是我所知道的唯一能够解释所观察到的有关原子、分子和基本粒子的主要事实的理论的必要组成部分。
所以，如果想在不违背海森堡不确定性原理的情况下谈论原子，则态只能由我们选择的一部分信息来描述。这是态的第一难点。由于态只包含关于系统的部分信息，因此选择该部分信息必须有一定的理由。然而，尽管不确定性原理限定了一个态能够拥有多少信息，但它并没有告诉我们如何决定应该包括哪些信息，应该省略哪些信息。
做出上述选择需要考虑以下几个因素。这些信息可能与系统的历史有关，也可能与系统现在所处的环境有关，例如它是如何与宇宙中的其他事物相连或相关的。这些信息还可能与观察者所做的选择有关：如果观察者选择测量不同的量，或者在某些情况下提出不同的问题，这些都会对态产生影响。综上所述，一个系统的态不仅是该系统在某一特定时间的属性，而且涉及目前系统之外的某些因素，既与它的过去有关，也与它当前所处的背景有关。
现在我们就能够讨论叠加原理了。如果一个系统可以处于A态或B态，那么它也可以存在于形如aA+bB的组合中（a和b为任意数）。这意味着什么呢？
为了能够更好地理解，我们先看一个与老鼠有关的例子。从一只猫的角度来看，老鼠有两种——美味的和不美味的。老鼠的味道对我们来说是个谜，但可以肯定，任何一只猫都能把它们区分开来。问题是，唯一能告诉你答案的方法就是尝一尝。从普通猫科动物的经验来看，任何老鼠都可以归类为两种中的一种。但根据量子理论，这是对世界的真实情况的一个非常粗略的近似。不过，与牛顿物理学提供的理想化版本的老鼠不同，真正的老鼠通常处于一种既不可口也不难吃的态。但是如果尝一下，它就是两者之一，比如，老鼠有80%的概率是好吃的。根据量子理论，处于两种态之间的这种态与对我们造成的影响没有任何关系，因为真实情况是，如果不是这样，就是那样。态可以是所有可能情况连续统一的整体，其中每一种情况都由一种量子态描述。这种量子态则由美味倾向和难吃倾向来描述。换句话说，它是两种态的叠加——纯粹美味的态和纯粹难吃的态。在数学上这种叠加态通过将一个量加到另一个量上来描述。每只老鼠好吃与否的比例都与它被吃到的概率有关，而这只可怜的老鼠会被用来证明自己是否美味。
这听起来很疯狂，即使是我自己，在学习、研究并应用叠加原理30年之后，也做不到毫无疑虑地描述它。所以，肯定有更好的方法来理解并解释这一原理。尽管承认这一点令人尴尬，但确实还没有人能够找到一种既容易理解又优雅的方式来解释它。当然也有其他解释方法，但它们要么可以理解却不优雅，要么相反。不过，的确有大量的实验证据支持叠加原理，包括双缝实验和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森实验。有兴趣的读者可以在许多畅销书中找到这些内容，其中一些在本书结尾处的阅读清单中有所提及。
量子理论的问题是，我们的经验中没有任何东西能够以量子理论描述的方式表现出来。我们所有的感知要么是一回事，要么是另一回事，即要么是A要么是B，要么是好吃要么是不好吃。我们从来没有发现它们的组合，比如“a×好吃+b×不好吃”。量子理论则考虑到了这一点。它认为，我们所观察到的可能在一定的时间里是好吃的，在其余的时间是不好吃的。这两种可能性的相对概率是由a2和b2的相对大小决定的。然而，最重要的是，关于系统处于aA+bB态的说法，并不意味着它要么是A要么是B，而是在一定概率上是A，一定概率上是B。这就是我们所观察到的，但事实并非如此。我们之所以知道这一点，是因为aA+bB的叠加可能本身既非好吃亦非不好吃。
因此，这里有一个悖论。如果用量子理论来描述我的猫，在尝了老鼠之后，它本该会感到美味或者难吃。但根据量子力学，猫不会处于一种绝对幸福或绝对不快的态，而是进入两个反映老鼠态的叠加态中。也就是说，这只猫将会停留在快乐态和因“吃到难吃的老鼠”而烦恼的态的叠加态中。
即使猫认为自己处于一个确定的态，但是根据量子理论，我也必须以叠加态的方式来看待它。那么，如果换成我来观察猫会如何呢？我会听到满意的咕噜声或者被猫生气地抓伤。但我一定会处于这两种可能的态之一吗？我无法想象，如果我没有经历这两种可能中的任何一种会怎样，我更无法想象，那将意味着什么。但是如果用量子理论来描述，那么我也会和老鼠、猫一样，处于两种不同态的叠加中。在一种情况下，老鼠很好吃，猫很开心，我听到了猫满意的咕噜声。在另一种情况下，老鼠不好吃，猫很愤怒，而我正在护理抓伤。
使该理论前后自洽的原因是，我们的不同态是相互关联的。快乐的我伴随着幸福的猫和美味的老鼠。如果一个观察者同时询问我和那只猫，我们的回答将是一致的，如果猫吃到了老鼠，它甚至会和观察者的体验一致，但我们不会都在一个确定的态。根据量子理论，我们都处于两个可能相关的态的叠加态。这个看似矛盾的现象的根源在于，我自己的体验是这样或那样的，但是另一位观察者根据量子理论给出的对我的描述，常常让我处于两者的叠加态，这与我实际的体验完全不同。
这个谜团有几种可能的破解方法。其中之一是，我误认为精神态的叠加是不可能的。事实上，如果普通量子力学将我作为一个物理系统来描述，那么情况一定是这样。但是，如果一个人可以处于量子态的叠加之中，那么作为行星的地球是否也应如此呢？还有太阳系、银河系呢？事实上，为什么整个宇宙都处于量子态的叠加中就不能成为一种物理学上的可能性呢？自20世纪60年代以来，人们一直在努力用对待原子量子态的方式来对待整个宇宙。在这些基于量子态对宇宙的描述中，宇宙被假定为可以像光子和电子的态一样容易进入量子叠加态。因此，这一理论被称为“传统量子宇宙学”，以区别于其他将量子理论和宇宙学结合起来的理论。
但是在我看来，传统量子宇宙学并不成功。这种评价可能过于苛刻，在这个领域中我最尊重的几位学者就不认同我的观点。不过，我自己对这个问题的看法也是从经验中产生，经反复思考而得的。碰巧，我参与了定义宇宙学量子理论方程的第一个实际解的研究。这些方程被称为惠勒-德维特方程（Wheeler-DeWitt equations）或量子约束方程（quantum constraints equations）。这些方程的解定义了用来描述整个宇宙的量子态。
20世纪80年代后期，我先后和两个朋友，特德·雅各布森（Ted Jacobson）以及卡洛·罗韦利（Carlo Rovelli）一起工作，共同发现了这些方程的无穷多个解。这一点特别令人惊讶，因为理论物理方程中能够精确求解的非常之少。1986年2月的一天，特德和我在圣巴巴拉（Santa Barbara）工作，着手寻找量子宇宙学方程的近似解，而阿米塔巴·森（Amitaba Sen）和阿布海·阿希提卡（Abhay Ashtekar）两位朋友恰好取得了一些有用的结果，我们因此得以简化这一过程。突然间，我们意识到面前的黑板上写着的第二次或第三次猜测，竟然准确地求解了这些方程。我们试图计算出一个能够度量我们的结果有多大误差的条件，但最终发现这样的条件并不存在。起初我们尝试找出错在哪里，结果发现我们写在黑板上的表达式是正确的，即完整的量子引力方程的精确解。我仍然清楚地记得黑板上的内容，那天阳光明媚，特德穿着一件T恤（不过，圣巴巴拉总是阳光明媚，特德也总是穿着T恤）。我们迈出了第一步，花了整整10年的时间，在我们真正理解自己在这几分钟里所发现的东西之前，这10年里有些时光是令人振奋的，但大多数时候是沮丧的。
诸多问题中，量子宇宙学的观察者身处宇宙中这一事实的含义令我们十分困扰。问题在于，在所有对量子理论的普通解释中，观察者都被假定在系统之外。但是在宇宙学中，观察者身处宇宙之外是不可能的。正如我之前强调过的，这是研究宇宙的原则以及整体思路。因此，如果不考虑它，我们做的任何事情都无法与真正的宇宙学理论相关。
为了弄清楚整个宇宙的量子理论，弗朗西斯·埃弗里特（Francis Everrett）、查尔斯·米斯纳（Charles Misner）等该领域的先驱者已提出了一些不同的构想。当然，我们注意到了这些构想。多年以来，年轻的理论物理学家们以争辩宇宙量子学理论的不同构想的优缺点来自欺欺人。当然这种做法最初看上去很棒，因为好像人们在和科学的根基搏斗。我以前经常观察前辈们，好奇他们为何永远不会这样花费时间。过了一段时间我就明白了：一个人只能站在5～6个可能的角度反复考虑问题，时间久了就会变得异常枯燥乏味，久而久之，就缺失了某些东西。
因此，我们并不十分喜欢讨论这个问题。相反，至少对我而言，比起担忧科学的基础，着手解方程才是一个切合实际的、能真正取得进展的策略。上大学时，我花了大量时间盯着屋子墙角，脑子却在不停思考量子世界中什么东西是真实的。那时这样做就足够了，但现在我希望能做一些积极的事情。现在情况变了，因为一瞬间我们就能解出量子引力方程无数可能的正解。然而如果只有一小部分是简单的解的话，那么大部分可能都极其复杂，一如人们能想象出的最复杂的结（这些解还确实与打结有关，但那是后话）。
迄今为止，除了那些非常抽象的估测，没有人能够解释这些方程的意义。在这些估测里，宇宙的种种复杂性和奇迹被缩减到了一到两个变量里，比如宇宙有多大，它膨胀得有多快。天马行空是非常容易的事情，幻想自己身处宇宙之外，把宇宙的历史变得像玩溜溜球一样简单。实际上更简单，因为我们甚至没有能力去对付一个像真正的溜溜球这样复杂的东西。那些被我们乐观地称为“宇宙量子学”的方程只能去描述一个傻溜溜球，它只能上下动，而不能前后或左右动。
现在所需要的是，对量子理论中允许观察者成为量子系统一部分的态做出解释。1957年，休·埃弗里特（Hugh Everrett）在他的博士论文中提出了一个观点，在当时极其轰动。他提出了一个叫作相对态的解释方法，这个方法可以让你做出非常有趣的事。如果你知道自己要问的问题，并且可以以量子理论的方式表述，那么即使你用的是量子系统中的度量衡，你也可以推断出不同结果的可能性。这确实是一个进步，但我们依然没有真正地抹掉观测在理论中的特殊角色。特别是，它同样适用于无穷集可能提出的问题，从理论的角度来讲，所有这些问题在数学上完全等价。但是，理论上没有任何东西能告诉我们，为什么我们对那些似乎具有明确位置和运动的大物体所做的观察是特别的。没什么能够区别我们所处的这个世界和其他无数个由这个世界的复杂事物叠加构成的世界。
我们一贯认为，一个物理理论能够解释无穷个不同的世界，这是因为它能够自由应用。牛顿的物理理论为我们提供了粒子相互影响的规律，但他没有明确粒子的构造。如果给定组成宇宙的粒子的排列规律和它们的初始动作，牛顿的定律就能预见未来，就可以应用于所有以某种规律移动的粒子组成的宇宙。牛顿的理论把粒子放在不同的初始位置，从而描述了无数个不同的世界，每个都对应着量子理论的一个不同的答案。但是它只能做到一一对应，这和从传统宇宙量子理论的方程中得到的结论大相径庭。以传统方式得到的是每个答案都能描述无数个宇宙，这些宇宙不仅按照传统理论对问题给出的答案不同，所提出的问题也不同。
因此，埃弗里特的相对态形式的理论，必须辅以另一个理论，以解释为什么我们的观测对应一部分特定问题的答案，而不是对应那些无穷无尽的其他问题的答案。有些学者试图去解决这个问题，并且借助一个叫“退相干”（decoherence）的概念取得了一些进展。如果对一个问题的肯定回答不可能是对其他问题的肯定回答的叠加，那么这些问题的集合被称作“退相干”。一些学者把这个想法发展成为一种研究量子宇宙学的方法，叫作“自洽史形式”（consistent histories formulation）。这种方法可以指定一系列关于宇宙历史的问题。假定问题彼此相干，即对一个问题的回答不会妨碍另一个问题的提出，这种方法告诉我们如何计算不同的可能答案的概率。这的确是一个进步，但还远远不够。我们所处的世界是退相干的，但正如两位年轻的英国物理学家费伊·道克（Fay Dowker）和阿德里安·肯特（Adrian Kent）所确信的那样，还有无数其他可能的世界。
我的科学研究生涯中经历过的最戏剧性的时刻，莫过于1995年夏天在英国达勒姆（Durham）举行的量子引力会议上介绍自己在这方面的工作。当费伊·道克开始介绍“自洽史形式”时，人们普遍认为这种方法是解决量子宇宙学问题的最大希望。她是詹姆斯·哈特尔（James Hartle）带出来的博士后，而詹姆斯·哈特尔最先发展了量子宇宙学的自洽史形式。不过，道克的介绍几乎没有预示未来的发展方向。她提出了“自洽史形式”这一理论，并阐明了其中一些最令人费解的方面，她的演讲堪称精彩。经她解释之后，“自洽史形式”理论显示出了无可比拟的优越性。接着她展示了两个定理，她对这两个定理的解释出乎我们的预料。虽然我们观察到的古典世界，粒子有确定的位置，可能是理论界所描述的自洽世界之一，但道克和肯特的研究结果却表明，无数其他的世界必然存在。此外，到目前为止，有无数个自洽的古典世界，但转瞬之间它们就会面目全非。更令人不安的是，现在有些世界是古典的，但是在过去的某些时候被任意地混合了古典的叠加。道克总结说，如果自洽史解释是正确的，我们就没有权利从化石的存在中推断出一亿年前恐龙曾在地球上漫游。
在那个夏天晚些时候的交流中，詹姆斯·哈特尔坚称，他和默里·盖尔-曼（Murray Gell-Mann）在自洽史研究方法上所做的工作，与道克所说的并不矛盾。他们充分意识到，自己的构想强加给了现实一个严重的背景依赖：人们不可能在没有完全具体说明将要提出的问题之前，就有意义地谈论任何物体的存在或任何声明的真实性。这就好像这些问题把现实变成了存在。如果一个人不首先获知包括恐龙是否在一亿年前漫游地球的问题的世界历史，他可能就得不到恐龙或者任何其他大的“经典客体”的有意义的描述。
我考证了一下，哈特尔是对的。他和盖尔-曼所说的仍然有效。不过，当时发生了一件有趣的事情，虽然现在回想起来并没有多么稀奇：我们中的许多人误解了盖尔-曼和哈特尔，认为他们不够激进，过于传统老套。根据他们的说法，世界只有一个历史，并且是用量子语言表述的。但是，这个世界包含许多种不同而自洽的历史，每一种历史都可以通过一系列正确的问题来形成。并且，每一种历史都与其他历史不相容，因为像我们这样的观察者无法同时经历它们。但根据这个形式体系，每一种历史都是真实存在的。
正如你可能想象的那样，对于如何处理这个问题，学界存在着巨大的分歧，尽管其中大多数分歧并无恶意。一些人追随道克和肯特的信念，坚信现实概念的无限扩展是不可接受的。要么量子力学适用于整个宇宙是错误的，要么它是不完整的，必须由一组问题与现实相符的理论来补充。另一些人则追随哈特尔和盖尔-曼，并接受了极端的背景依赖。正如艾沙姆所说，问题在于“是”这个字的含义。
如果这还不够麻烦的话，量子宇宙学的传统公式还面临其他的困难。事实证明，一个人不能自由地问任何一组问题，这些问题因为必须解某些方程而受到限制。而且，尽管我们已经得出了决定宇宙量子态的方程，但事实证明，要确定这个理论所要提出的问题则非常困难。这似乎不太可能做到，至少在真正的理论当中不太可能做到。也许我不应该评论找到正确问题集的可能性，因为求解态方程本身就完全是一个意外。尽管很多人都尝试过，但最终的结论都是，这是一块很难搬动的石头。所以，传统的量子宇宙学似乎是一个可以制定答案，而非问题的理论。
当然，从最后一章的角度来看，这并不奇怪。要形成一个宇宙学理论，我们必须承认，不同的观测者看到的是不同的、局部的宇宙。从这个出发点来看，试图将整个宇宙当作普通量子理论所适用的实验室中的一个量子系统，是没有意义的。有没有一种不同的量子理论，在这种理论中，量子态明确指向某个观察者所看到的领域呢？从某种意义上说，这种新的理论将会使量子理论更加明确地依赖观测者在宇宙中的位置，这将是一种“相对化”的理论。它将描述一个大的，也许是无限的量子世界集，每一个量子世界都对应着世界上某个特定的观察者在宇宙历史的某一特定地点和时间所能看到的那一部分。
在过去的几年里，已经有一些类似的新的量子宇宙学构想。其中一个构想源自自洽史的方法，由克里斯托弗·艾沙姆和他的合作者杰里米·巴特菲尔德（Jeremy Butterfield）依据自洽史的方法改良而来，其中，背景依赖理论是其数学表述的核心特征。并且这两位学者发现，拓扑斯理论可以做到这一点，这种理论允许在一种数学体系中对多个相互关联但背景不同的量子力学进行描述。他们的研究成绩显著，但是就像黑格尔和马丁·海德格尔（Martin Heidegger）研究哲学一样，依然困难重重。如果一个人真的相信现实的概念取决于讲话者的背景，他就很难找到合适的语言来谈论这个世界。
对于量子引力学家来说，克里斯托弗·艾沙姆是一位理论家中的理论家。大多数理论物理学家以具体的例子为基础进行思考，然后尽可能广泛地概括他们所掌握的东西。克里斯托弗·艾沙姆似乎是少数能够在相反方向上高效工作的学者之一。他几次以非常笼统的形式介绍了重要的想法，让其他人将这些经验应用到具体的例子中去。其中一次介绍引出了圈量子引力，当时，卡洛·罗韦利从一个非常笼统的角度看到了他的思路，并认为其可以产生非常具体的结果。像这样的事情现在仍然在发生。近10年来，人们一直在思考量子宇宙学中的背景依赖。我们已经从克里斯托弗·艾沙姆那里了解到我们做这件事所需要的数学技能。
在艾沙姆和他的合作者之前，路易斯·克兰（Louis Crane）、卡洛·罗韦利和我提出了一个不同版本的想法，我们称之为关系量子理论。回到前面的猫与老鼠的例子，关系性量子理论的基本思想是，所有的玩家都有一个背景，由他们所描述的世界的一部分组成。如果要问老鼠、猫、我、我的朋友之中哪种量子描述是正确的，我们认为应该接受所有的量子描述。有许多量子理论，对应许多可能的不同观察者。这些问题都是相互关联的，因为如果有两个观察者能够提出同样的问题，他们就必须得到同样的答案。由艾沙姆和他的合作者开发的基于拓扑斯理论的数学形式已经告诉了我们如何针对可能出现的任何情况做到这样。
背景依赖理论是由福蒂尼·马可波罗-卡拉马拉提出的，她将宇宙学逻辑的提议扩展到了量子理论。结果就是，在特定的时刻，背景变成了一个观察者的过去。这是量子理论和相对论的完美统一，其中决定信息传播方式的光线的几何特性，决定了可能的背景。
所有这些理论中有许多对同一宇宙的量子描述。每一种理论都采取将宇宙分成两部分的方式，其中一部分包含观察者，另一部分包含观察者希望描述的内容。每一种这样的分割都给出了一部分宇宙的量子描述，并且描述了一个特定的观察者看到的东西。尽管所有这些描述是不同的，但它们必须相互自洽。这种自洽性通过使描述成为一个人的观点的结果解决了叠加的悖论。量子描述总是由一个在宇宙某部分之外的观察者对宇宙的该部分进行描述。任何一个这样的量子系统都可以处于一种叠加态。如果你观察一个包括我的系统，你可能会看到我也处于一种叠加态。但我不会这样描述自己，因为在这种理论中，没有观察者能够自己描述自己。
许多人认为，这是朝着正确方向迈出的明确的一步。我们不再试图在量子宇宙学理论的一个解决方案中理解有许多宇宙（即许多现实）的形而上学的陈述，我们正在构建一个只有一个宇宙的量子宇宙学的多元版本。然而，这个宇宙有许多不同的数学描述，每一种都对应着不同的观察者在环顾周围时可以看到的东西。当然，每一种都是不完整的，因为没有一个观察者可以看到整个宇宙。例如，每个观察者都将自己排除在他们所描述的世界之外。但是，当两个观察者问同样的问题时，他们必须保持一致。如果我在明天环顾四周，过去并不会改变。同样，如果今天我看到恐龙在一亿光年之外的行星上漫游，当我明年再次收到那个行星的信号时，它们仍然会在那里漫游。
像所有提倡新思想的人一样，我们用口号和结果来支持自己的观点。我们的口号是“在未来，我们将知道更多”，以及“是有许多观察者在看着同一个宇宙，而不是宇宙之外的一个神秘观察者在看多个宇宙”。
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。
