本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
物理學中既令人不安又令人興奮的一件事是，許多看似簡單的問題仍然沒有答案。當你聽到物理學家們正在苦苦思索的問題時，你有時會對自己說，等等，你是說他們甚至不知道那個嗎？物理學可以被定義為這樣一門學科：它試圖弄清楚為什麼世界最初看起來複雜得令人難以理解，但在仔細檢查後卻受簡單的定律支配。這些定律反覆應用，構成了複雜性。從這個定義來看，你會認為物理學家至少已經理清了他們所說的“定律”是什麼意思。
抱歉，他們並沒有。
為什麼自然應該受定律支配？為什麼這些定律應該用數學來表達？為什麼它們應該在空間和時間框架內形成？這些問題是在兩週前在普里米特研究所舉行的一次引人入勝的研討會上提出的，該研討會是2008年12月在亞利桑那州立大學舉行的研討會的續集。其中一位參與者薩賓·霍森菲爾德昨天在Backreaction上談論了這個問題，這是一個始終如一的富有思想的物理學部落格。最重要的是，組織者最好開始計劃更多的續集，因為這些問題似乎仍然像以前一樣難以解決。
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我認為我從未參加過像這次研討會一樣的會議。我還能在哪裡聽到量子力學理論的推導、反對多神論的論證，以及一種為自己不認識的地方指路的技巧，所有這些都在幾個小時內完成？與會者是物理學家和學術哲學家。這兩個社群在愛因斯坦時代非常接近，但後來逐漸疏遠。在粒子物理學家史蒂文·溫伯格的書《最終理論的夢想》中，有一章題為“反對哲學”，總結了他那一代物理學家對這門學科的蔑視。但正如我幾年前在一篇文章中寫到的那樣，時代正在發生變化，這主要是因為許多物理學家認為，他們對統一理論的探索停滯不前，是因為沒有深入思考哲學問題。在兩個群體聚在一起的會議上，他們給我的感覺是非常相容的。與會的哲學家往往接受過物理學方面的培訓，而物理學家，即使他們分不清黑格爾和海德格爾，也渴望學習。
他們之間的主要區別是風格。物理學家傾向於比較隨意地講話，並依靠數學來支援他們，而哲學家在修辭上則更加細緻（有時甚至矯枉過正）。物理學家還傾向於經常在早期打斷髮言者提問，從而阻止哲學家表達他們的觀點。“哲學家比物理學家文明得多，”（物理學家）尼耶什·阿夫什迪若有所思地說。
然而，真正讓這次研討會顯得奇怪的是，除了少數例外，這些演講都側重於斷言，而缺乏論證。這本質上是一個為期三天的頭腦風暴會議，旨在激發和鼓勵參與者帶著他們最終可能融入工作的新想法回家，而不是傳達具體的結果。這種特質使得撰寫一篇關於它的部落格文章就像總結普魯斯特一樣具有挑戰性。給自己倒一杯咖啡，然後坐下來慢慢看。
什麼是定律？
前幾位演講者直接討論了定律是什麼的問題。其中包括北卡羅來納大學教堂山分校的哲學家約翰·羅伯茨。（他的演講影片在此。）定律不僅描述了自然界中的模式，而且區分了偶然出現的模式和那些始終存在、獨立於特定情況的模式。要確定這意味著什麼，真是令人沮喪地棘手，當談論整個宇宙時，情況會變得更糟。如果宇宙是全部，它怎麼可能有所不同？如果它不可能有所不同，那麼偶然模式和固有模式之間的區別是什麼？
羅伯茨回顧了一些主要的哲學思想流派，發現它們存在不足，並認為定律的概念與物理學家發現定律的方式密不可分。他們的主要工具是受控實驗，其本質就是尋找在任何特定條件下都成立的模式。我承認，我不明白羅伯茨的方法如何幫助解決我們最關心的問題：為什麼自然界是有模式的而不是混亂的？為什麼從一種情況（例如，蘋果下落）中收集到的定律適用於不相關的情況（圍繞行星執行）？但是，承認我們的定律，即使它們捕捉到某種客觀現實，也受到我們發現過程的影響，這似乎是有用的。
接下來的演講者，達特茅斯學院的物理學家馬塞洛·格雷澤以物理的方式提出了類似的觀點：他說，科學非常依賴於工具。但是，他隨後朝著不同的方向發展，認為最終理論是一個虛假的夢想，因為新的工具總是意味著新的發現。Backreaction 對他的演講有更多評論，您可以自己觀看，並且始終可以找到格雷澤的新書。在整個研討會中，與會者不斷回到這樣的擔憂，即可能沒有最終的統一理論，而只有各種理論的拼湊。
我自己的反應是，雖然警告人們不要執著於對最終理論的先入之見是有用的，但格雷澤過於堅持認為物理學的杯子是半空的。我們可能對很多東西一無所知，但我們也知道很多，而且我們看到的一切都表明，自然確實受簡單的定律支配。觀察者一直在做出新的發現，但新的發現並不意味著新的定律。他們發現的絕大部分都可以使用現有定律來理解，而例外情況出現在定律發生衝突的情況下，這表明調和它們也將為例外情況提供解釋。
在格雷澤演講後的問答環節中，哥倫比亞大學的天體物理學家和小說家詹娜·列文提出了一個很好的觀點，即雖然物理學家經常將觀察和純粹的思想進行對比，但我們的思想受到物理世界的塑造，因此我們的思想也代表了一種間接的觀察形式。
後來的演講者，美國宇航局艾姆斯研究中心的物理學家大衛·沃爾珀特也提出了一些警告。定律的主要目的是做出可靠的預測，但這個目標可能本質上是無法實現的。沃爾珀特使用庫爾特·哥德爾用來證明他的不完備性定理的論證的變體，表明物理學家永遠無法保證某些預測是正確的。一個有趣的含義是“一神論定理”：最多隻能有一個全知的神。如果存在兩個，他們將能夠讀取彼此的思想並陷入迴圈的悖論。要了解更多資訊，請觀看演講，閱讀論文，或者，更好的是，重讀約翰·彌爾頓的作品。
物理學家如何選擇定律並測試它們？
西安大略大學的哲學家克里斯·斯米克提出瞭如何制定整個宇宙定律的問題。定律通常適用於多種情況，例如可重複的實驗，但只有一個宇宙。但是，他認為，一個獨特的宇宙仍然具有多個近似層次。物理學家通常從行星軌道或粒子行為的粗略猜測開始，然後逐步完善它。斯米克認為，這些完善的步驟中的每一個都是一種不同的情況，可以讓你測試這些定律。在此處觀看影片。
在問答環節中，英國物理學家朱利安·巴伯表示，人們高估了可重複實驗在經典物理學中的作用。實際上，一次實驗就足夠了。只有在量子物理學中，重複才變得至關重要，因為量子理論是機率性的，而機率意味著多個例項。
我發現斯梅恩克（Smeenk）的演講和卡內基梅隆大學哲學家凱文·凱利（Kevin Kelly）後來的演講之間有共同之處。凱利試圖解釋奧卡姆剃刀：即最適合資料的最簡單的定律是最好的定律。剃刀是物理學家一直在使用卻不真正思考為什麼——或者它是否會導致他們看到不一定存在的簡單性的想法之一。支援剃刀有效性的主要論點來自機率論，認為簡單的理論實際上比複雜的理論更有可能是正確的；《美國科學家》雜誌在 1991 年發表了一篇精彩的文章，闡述了這一論點。但凱利提出了不同的解釋：剃刀之所以有效，是因為一個簡單的定律比一個複雜的定律更不容易被撤回。它可以被認為是連續近似的第一步。它可能需要加強和補充，但它不太可能是完全錯誤的。
凱利將其比作指路。假設一位司機走到你面前，詢問去一個你不知道的地方的路。你想提供幫助，而不是承認你的無知。你應該怎麼做？訣竅是選擇通往最多地方的路線——可能是最近的高速公路或通往市中心的道路。這樣，你就有最好的機會將他們送往正確的方向，並避免他們不得不走回頭路。凱利說，奧卡姆剃刀讓物理學家走上了通往正確定律的最佳路線，即使它無法挑選出那個定律。他的演講影片在這裡。
時間是虛幻的還是真實的？
研討會上真正的激烈討論來自對時間的爭議——不是關於演講者是否落後於進度並佔用了咖啡休息時間，而是關於時間本身是一個派生的概念還是一個基本概念。時間是從更深層次的東西中產生的，還是它是自然世界中不可減少的一部分？在我們當前的一期中，加州大學聖地亞哥分校的哲學家克雷格·卡倫德（Craig Callender）根據巴伯的觀點，闡述了第一種選擇的理由。
巴伯有一種典型的英國式低調的幽默感。“我很樂意放棄時間，”他告訴研討會的參與者。“我大約在 40 年前就這麼做了。”他的演講，你可以在這裡觀看，堪稱大師級，如果說非常規的話。它並沒有像通常意義上的那樣提出一個科學論點：一堆資料和公式，甚至讓最頑固的懷疑論者都勉強接受。相反，巴伯帶領我們漫步於他那富有想象力的思想森林。
例如，作為宇宙的隱喻，他畫了一個帶有 24 個紅色和藍色點的圓圈（見上圖）。著色是有邏輯的：它最大化了圓周周圍顏色序列的多樣性。如果你不知道一個點的顏色，你可以透過觀察所有其他點並找出哪種顏色可以最大化整體的多樣性來推斷它。它讓我想起了那些邏輯謎題，你不知道自己頭上戴著什麼顏色的帽子，但可以透過檢視其他人戴的帽子來推斷出來。
巴伯認為，宇宙有點像這樣。構成它的粒子沒有諸如空間位置之類的內在屬性。相反，這些屬性來自粒子之間的關係。一個粒子透過它與所有其他組成部分的關係而被賦予一個特定的位置。他描述瞭如何以幾何方式對粒子關係進行分類，以及如何推匯出諸如位置、長度、持續時間和同時性等基本概念。他不得不假設而不是推導的唯一幾何屬性是線之間的角度。事實上，如果你仔細想想，你什麼時候觀察到長度？你總是從角度推斷長度，例如在你的眼睛處所對的光線之間的角度。
巴伯並不是唯一一位認為自然的基本定律是“保角不變”的物理學家，這意味著它們沒有內在的尺度感，但確實涉及角度。在諸如相對論之類的理論中，這些角度代表著因果關係。
我對這次演講的主要困惑在於，我不明白這些抽象的想法與我們體驗的世界有何關係。時間似乎是如此真實。它是如何產生的？為什麼世界的結構以非常特殊的方式構建，從而產生時間？簡而言之，我們說時間不是真實的，我們真正獲得了什麼？
另外兩位物理學家的演講為新興時間的概念提供了一些具體內容。奧爾巴尼大學的凱文·努斯（Kevin Knuth）展示瞭如何從因果關係網路開始，並從中恢復空間和時間。更多詳情，請閱讀他的論文或播放影片。佩裡米特的菲利普·戈亞爾（Philip Goyal）表明，你甚至可以從這樣的網路中恢復整個量子力學理論。他的演講在這裡。
具有諷刺意味的是，巴伯過去是這個選擇的孤獨代言人，但它正成為主流觀點。現在認為時間是基礎性的觀點更為激進。這就是佩裡米特的物理學家李·斯莫林（Lee Smolin）和哈佛法學院的政治哲學家羅伯託·昂格爾（Roberto Unger）這對不太可能的組合所做的事情。與巴伯一樣，他們並沒有真正提出論點，而是提出了一份宣言。
斯莫林對所謂的牛頓正規化提出了質疑，即將自然界概念性地劃分為兩個要素：（a）世界的狀態，以及（b）物理定律。世界的狀態在空間中定義。在經典力學中，例如管理檯球桌的規則，狀態由物體的位置和速度組成。物理定律在時間中起作用。它們將一個狀態帶到下一個狀態。斯莫林認為，這個框架雖然在日常情況下執行良好，但當應用於整個宇宙時，就會脫軌。它會導致他和昂格爾稱之為荒謬的結論，例如“塊狀宇宙”——即過去和未來所有時間都同樣真實的命題。觀看他們的團隊演講在這裡。
我從中獲得的最具體的想法是，如果時間是真實的，未來是真正開放的，那麼物理定律本身可能會發生變化。你可以將自然定律視為固定的，在這種情況下時間會湧現，或者將時間視為固定的，在這種情況下自然定律會演變。對我來說，這聽起來像是對一個有爭議的一個世紀前法國物理學家亨利·龐加萊提出的論點的重述。斯莫林和昂格爾認為後一種觀點更為自然，但它立即遇到了兩個問題：有什麼證據表明這些定律曾經改變過？如果它們確實發生了改變，那麼這些變化本身是否也受到定律的約束？如果是這樣，那麼你要麼陷入定律、元定律、元元定律等等的無休止的倒退，要麼你必須假設某些定律確實是固定的。
最終，這份宣言只有在它促成了一個充實的理論時才能證明其價值。迄今為止最好的嘗試是斯莫林自己的宇宙自然選擇，Fotini Markopoulou 的時空量子圖論模型，以及 Petr Horava 的新興空間提案。
黑洞是否可能導致宇宙加速膨脹？
到這個時候，我的頭腦中充滿了深刻的想法。尼亞耶什·阿夫肖迪（Niayesh Afshordi）的演講讓我鬆了一口氣。它有方程式！它引用了觀察結果！它做出了預測！它並沒有告訴我，我所認為的一切都是錯誤的！它所要做的只是解釋暗能量。在其他任何會議上，這都算是令人望而生畏的激進。在這裡，它是謙虛得讓人難以接受。
他提出的模型借鑑了兩個推測性的但合理的想法。首先，正如一些擬議的量子引力理論（如 Horava 的理論）所預測的那樣，空間充滿了看不見的流體——一種以太。其次，正如幾乎所有量子引力理論所預測的那樣，黑洞會發出微弱的輻射。阿夫肖迪計算出，輻射應該會加熱以太，就像把一壺水燒開一樣，在整個宇宙中產生（負）壓強。這種壓力是暗能量的典型屬性，並具有加速宇宙膨脹的結果。
換句話說，量子引力效應可能會模仿暗能量。這個模型巧妙地解釋了為什麼宇宙加速開始於幾十億年前，而不是一直追溯到大爆炸：黑洞的形成和加熱以太需要一段時間。論文值得一讀，演講也不錯。
如果你一路讀到這篇博文的末尾，你真的證明了自己是一位物理愛好者，我很樂意在評論區聽到你的聲音！你會很高興地得知，我希望邀請這些研究人員中的許多人在未來幾年內在印刷雜誌上展示他們的想法。
朱利安·巴伯的照片由喬治·穆瑟拍攝