物理定律從何而來：一個更危險的問題

在日常經(jīng)驗里，世界似乎越來越“可計算”。從手機里的導航算法，到原子鐘定義的時間標準，再到粒子對撞機中被精確預測的碰撞結(jié)果，現(xiàn)代科技不斷強化一個直覺：宇宙是被穩(wěn)定規(guī)則嚴格約束的系統(tǒng)。我們習慣于相信，這些規(guī)則像背景代碼一樣始終存在、從未改變。

但宇宙學家若昂·馬奎霍長期以來一直在追問一個更根本的問題：這些看似永恒的自然規(guī)律，本身究竟從何而來？

在2026年5月11日發(fā)表于《新科學家》（New Scientist）的文章中，馬奎霍提出了一種更激進的可能性——我們所理解的“物理定律”，也許并非宇宙的起點，而是演化的結(jié)果。

更關鍵的是，這種設想并非純粹哲學推演，而正在嘗試進入可觀測檢驗：極高精度的原子鐘、基本常數(shù)的微小漂移、時間結(jié)構(gòu)的極限穩(wěn)定性，都可能成為追蹤“定律是否正在變化”的窗口。

如果連物理定律都不是起點，那真正的起點是什么？

本文7小節(jié)，5500多字：

1. “自然定律”究竟是什么

2. 對“無定律宇宙”的本能排斥

3. 馴服一個無法則的宇宙

4. 如何“生成”一個宇宙

5. 吸收態(tài)與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)

6. 可檢驗性與現(xiàn)實觀測

7. 回到思想的源頭

發(fā)表于《新科學家》（New Scientist）的文章截圖

把一顆鵝卵石投入湖中，它會順從地沉入水底；讓粒子相互碰撞，它們會以某些固定模式分裂；按下開關，光便隨之出現(xiàn)。現(xiàn)實世界盡管充滿宏大與戲劇性，卻似乎始終以一種一致、可預測的方式運行。

在物理學家看來，這種“可預測性”通常被歸因于所謂自然定律。這些定律在宇宙各處都以同樣方式成立：同樣的引力既能彎曲遙遠恒星發(fā)出的光，也能把人的雙腳牢牢固定在地面上。更重要的是，它們似乎不會變化——從宇宙大爆炸到未來的盡頭始終有效。在物理學內(nèi)部，這一前提被默認到幾乎無人質(zhì)疑。

但這種“默認”并非毫無理由。直接追問“物理定律從何而來”，往往會被認為是在把哲學偷偷帶進實驗室。同時，它也可能引向危險的推演——例如暗示恒星可能以不同方式燃燒，或原子可能隨意解體。

盡管如此，若昂·馬奎霍認為，這個問題無法回避。他在過去幾年持續(xù)思考一個更根本的問題：自然定律的來源。此前許多相關理論之所以失敗，是因為它們只是把問題往更深層推，變成“元定律”（meta-laws）。而他提出的框架試圖打破這一循環(huán)：在宇宙早期，物理規(guī)則可能劇烈變化，直到最終才穩(wěn)定為我們今天所見的形式。如果這一設想成立，那么“自然定律”本身可能并非終極基礎。

1.

“自然定律”究竟是什么

所謂自然定律，在這里指的是物理學中的核心方程體系，例如艾薩克·牛頓的引力定律、詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁方程，以及阿爾伯特·愛因斯坦的時空場方程。

這些方程通常還伴隨著所謂“基本常數(shù)”，例如引力強度、電子電荷等，用來描述我們觀測到的宇宙屬性。這些方程與常數(shù)并不僅僅是對現(xiàn)實的簡化描述，它們更像是支撐整個物理理論體系的“承重結(jié)構(gòu)”。

然而，一旦追問“這些定律從何而來”，就必須面對一個更令人不安的可能性：也許在某個時期，根本沒有任何定律存在。甚至在粒子、幾何結(jié)構(gòu)，乃至時間概念出現(xiàn)之前，現(xiàn)實可能是一種完全無序的狀態(tài)。

理論物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）曾把這種狀態(tài)稱為“higgledy-piggledy”——一種徹底混亂的宇宙形態(tài)。這并非隨口玩笑。馬奎霍第一次看到這個詞時甚至不認識，于是查閱其含義，發(fā)現(xiàn)其近義詞是“helter-skelter”，并聯(lián)想到披頭士同名歌曲。他將其理解為一種“無調(diào)性的宇宙”：如同吉他全部走音，沒有節(jié)奏，也沒有統(tǒng)一音高的混亂狀態(tài)。

許多文化都描繪過物質(zhì)創(chuàng)造之前存在的無形混沌。這幅位于意大利貝加莫圣瑪利亞大教堂的16世紀設計圖，展現(xiàn)了一個被火焰環(huán)繞的奇異生物。（圖源：Lorenzo Lotto, Giovan Francesco Capoferri）

在那一時期，他身處宇宙學研究環(huán)境之中，當時主流理論被所謂“標準模型宇宙學”（lambda-CDM模型）所主導，包括暴漲理論、暗物質(zhì)與暗能量等框架。這些理論并不解釋“為何存在這些定律”，而是默認它們“本來就如此，并且一直如此”。這種共識在學界極為穩(wěn)固。

正因如此，馬奎霍嘗試走向相反方向。他探索過一些極端理論，例如在宇宙早期允許光速變化的模型。他承認，當時的思路越激進越好。

惠勒的“higgledy-piggledy”概念既令他著迷，也讓他感到不安：如果物理定律本身可以變化，甚至是混亂地變化，那么現(xiàn)實的“錨點”究竟在哪里？這還是物理學能夠回答的問題嗎，還是已經(jīng)進入哲學領域？

多數(shù)物理學家選擇回避這個問題。但馬奎霍認為，這種回避并不可持續(xù)。因為物理學的核心任務，本就是解釋宇宙為何如此，而不是“理所當然地如此”。如果將定律本身當作前提，那么解釋鏈條就會在最關鍵處中斷。繼續(xù)追問下去，便不可避免地指向一個更極端的設想：存在一個沒有任何定律的起點。

2.

對“無定律宇宙”的本能排斥

當人們面對“無定律宇宙”這一概念時，往往會產(chǎn)生一種近乎條件反射式的不適感。

原因之一在于，現(xiàn)代物理學的結(jié)構(gòu)本身高度依賴這些定律，因此自然傾向于認為它們應當是永恒、完美且不可改變的。另一方面，這種觀念可能也源自科學史：在科學與宗教尚未分離的時代，自然法則常被視為某種神圣法則的映射——同樣具有永恒性、普遍性且不可協(xié)商。即使科學后來世俗化，這種“崇敬感”依然殘留。

但更關鍵的因素，是對稱性（symmetry）這一深層原則。

在幾何學中，對稱性意味著一個圖形經(jīng)過旋轉(zhuǎn)或變換后仍保持不變。而在物理學中，對稱性表現(xiàn)為：無論在何處、何時、或以何種方向進行實驗，結(jié)果都應相同——至少在默認前提下如此。

這一假設帶來的后果極為深遠。1918年，數(shù)學家埃米·諾特（Emmy Noether）提出了革命性成果，徹底重塑理論物理學結(jié)構(gòu)，盡管她的職業(yè)生涯長期受到制度性性別歧視阻礙。

諾特證明：每一種連續(xù)對稱性——例如空間平移或時間平移——都對應一個守恒量。換句話說，如果物理定律在空間中處處相同，那么動量必然守恒。這意味著在碰撞過程中，例如臺球之間的撞擊，總動量可以在物體之間轉(zhuǎn)移，但總量不會改變。

在這些對稱性中，有一種尤為關鍵：時間平移對稱性。如果物理定律在不同時間保持不變，那么能量守恒就成立。

但問題在于，這一關系是雙向的：如果允許物理定律隨時間變化，那么能量守恒也將被破壞。二者相互綁定，一旦破裂，另一方也隨之崩塌。這對許多物理學家而言極為棘手，因為在所有物理原則中，能量守恒幾乎是最不可動搖的基礎之一。

3.

馴服一個無法則的宇宙

盡管如此，一些物理學家并未因此退縮。

這一“反叛思路”的開創(chuàng)者之一是保羅·狄拉克（Paul Dirac），他最著名的成就是將量子力學與狹義相對論統(tǒng)一起來。狄拉克以性格古怪著稱，而他的風格也延續(xù)到了科研之中：1937年，他在英國布萊頓度蜜月期間，寫下了自己職業(yè)生涯中最激進的一篇論文。

在這篇論文中，狄拉克提出一個大膽設想：自然界的常數(shù)可能并非真正恒定，而是與宇宙年齡相關。如果這一點成立，那么所謂“常數(shù)”實際上會隨著時間演化。因此，從這個角度看，物理定律也不再是永恒不變的結(jié)構(gòu)。

幾十年之后，馬奎霍的朋友李·斯莫林（Lee Smolin）進一步推動了這一“可演化定律”的思想。斯莫林提出的“宇宙學自然選擇”理論包含一個極不傳統(tǒng)的前提：黑洞并非宇宙的終點，而可能是新宇宙的起點。每一個黑洞都可能在其視界另一側(cè)孕育出一個膨脹中的新宇宙，相當于宇宙的“后代”。

這一想法并非純粹幻想。廣義相對論允許時空在極端條件下發(fā)生復雜重構(gòu)，而某些解甚至可以被解釋為通向新區(qū)域的“橋梁”。

更關鍵的是，斯莫林認為，在這一“宇宙繁殖”過程中，自然常數(shù)并不會被完全復制，而是會發(fā)生輕微變異，例如粒子質(zhì)量或基本作用力強度的微小變化。不同宇宙在生成黑洞的能力上存在差異，而更“高效”的宇宙會產(chǎn)生更多后代，從而讓自身的常數(shù)組合在宇宙群體中占據(jù)優(yōu)勢。經(jīng)過長時間演化，能夠更有效繁殖黑洞的參數(shù)組合會逐漸主導整個宇宙“譜系”。

盡管這一理論聽起來極為離奇，它仍然沒有完全進入惠勒所說的“徹底混亂”狀態(tài)。在斯莫林的框架中，變化的是常數(shù)，而不是方程本身——方程仍然保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

但惠勒的設想更進一步：不僅常數(shù)會變化，方程本身也可能處于流動之中，甚至“方程”這個概念本身都可能失去意義。

然而，一個長期懸而未決的問題隨之浮現(xiàn)：如果允許自然定律隨時間變化，那么根據(jù)諾特定理，我們將不得不放棄能量守恒。這一點長期被視為否定“演化定律”的關鍵理由。

但在過去兩年中，馬奎霍逐漸意識到，這個障礙也許恰恰相反——它可能不是限制，而是一種機會。他將其視為一個被忽視的突破窗口。

4.

如何“生成”一個宇宙

問題的關鍵在于：在某些情況下，能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅這一原則，反而會成為麻煩。

以宇宙大爆炸為例。在當前理論框架下，物理學家不得不假設，今天宇宙中所有的物質(zhì)與能量，在最初時刻就已經(jīng)以某種形式存在。這種假設會把早期宇宙推向“無限密度”的奇點，而這種無限在物理上難以解釋，甚至會導致方程失效。

如果放寬能量守恒這一約束，情況就會發(fā)生根本變化。物質(zhì)與能量的產(chǎn)生不再是一個瞬間事件，而可以變成一個過程：一種在時間中展開的生成機制，具有不確定性與可變性。

從理論上講，這種機制解決了一個核心問題。但隨之而來的另一個問題是：如果能量可以生成，那么它同樣也可以被消耗與消失。換句話說，系統(tǒng)不僅“給予”，也可能“奪走”。那么宇宙如何從這種雙向不確定性中，穩(wěn)定地產(chǎn)生我們今天看到的結(jié)構(gòu)？

馬奎霍與他的博士生保羅·巴薩尼（Paolo Bassani）在一篇發(fā)表于去年的論文中嘗試回答這一問題。他們借鑒了兩個看似無關的領域：進化生物學與金融數(shù)學。這兩個領域共同的特點是：系統(tǒng)始終處于變化之中，并允許真實隨機性參與演化過程。

在他們的模型中，宇宙早期并不存在穩(wěn)定的物理規(guī)律。基本常數(shù)劇烈波動，守恒定律失效。物質(zhì)可以被創(chuàng)造，也可以被隨機湮滅。正能量與負能量同樣可能出現(xiàn)，生成與消失具有對稱的不確定性。一次波動中獲得的物質(zhì)，可能在下一次波動中完全消失。

我們今天所感受到的力，例如引力，在現(xiàn)實世界誕生之初可能經(jīng)歷過劇烈的波動。（圖源：NASA）

整個宇宙因此呈現(xiàn)出一種“賭博式”動態(tài)：它可能在某一階段積累“財富”，但下一次隨機波動又會將其全部抹去。

只要自然法則仍在不斷變異，任何獲得的結(jié)構(gòu)都無法長期穩(wěn)定。一次劇烈波動就足以摧毀此前的一切積累。

因此，要想讓任何結(jié)構(gòu)真正“存活下來”，系統(tǒng)必須進入某種停止狀態(tài)：一種讓演化機制不再繼續(xù)擾動的終點結(jié)構(gòu)。

5.

吸收態(tài)與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)

幸運的是，這類隨機系統(tǒng)——無論是基因突變模型、股票市場，還是化學反應網(wǎng)絡——都存在一個共同特征：它們可能進入一種無法再退出的狀態(tài)，稱為“吸收態(tài)”（absorbing state）。

例如：某個突變在整個種群中完全擴散；一家公司破產(chǎn)并退出市場；或一場化學反應完全進行到終點。在這些情況下，系統(tǒng)不再擁有新的演化路徑，隨機變化因此停止。

在馬奎霍的模型中，這種吸收態(tài)對應宇宙演化中的一個關鍵點：自然定律本身“凝固”下來，隨機變異機制停止運作。

與此同時，那種允許物質(zhì)生成與消失的雙向機制也隨之關閉。一些宇宙在抵達這一狀態(tài)時一無所有，甚至處于“負債”狀態(tài)；而另一些宇宙則在隨機過程中積累了大量“收益”。

當機制停止后，這些“收益”不再被重新洗牌，而是被永久保留。我們所處的宇宙，正是這些被保留下來的結(jié)果。

在這一圖景中，秩序并不是因為它優(yōu)雅或“正確”而被選中，而是因為它能夠長期存續(xù)。換句話說，那些能夠存活的結(jié)構(gòu)，自然會被保留下來。

因此，一些長期困擾物理學的問題，例如基本常數(shù)為何具有當前數(shù)值，在這一框架下不再顯得神秘。常數(shù)并不需要是唯一的，它們只需要“足夠穩(wěn)定”，能夠支撐長期存在即可。

6.

可檢驗性與現(xiàn)實觀測

盡管這一理論極具野心，它并非完全無法驗證。

最直接的檢驗方式來自時間的極高精度測量。原子鐘是一類極其精密的計時設備，它利用原子振動頻率來定義時間標準。目前，這些裝置的穩(wěn)定性已經(jīng)高到可以檢測極其微小的物理常數(shù)變化。

由于不同類型的原子鐘對基本常數(shù)的依賴方式不同，一旦常數(shù)發(fā)生變化，不同鐘之間就會逐漸失去同步。這種“漂移”將成為一個明確的信號：自然定律本身正在發(fā)生變化。

截至目前的測量結(jié)果表明，即使存在這種變化，其幅度也必須極其微小。但這恰恰使得實驗更具意義，因為高精度系統(tǒng)意味著任何微弱的殘余波動都可能被捕捉到，沒有隱藏空間。

7.

回到思想的源頭

這一系列思考讓馬奎霍回想起2003年的經(jīng)歷。當時他與斯莫林在加拿大滑鐵盧的帕里米特理論物理研究所共住一所房子，兩人都在該機構(gòu)擔任研究員。

斯莫林的書房里堆滿了大量哲學著作，從經(jīng)典到非主流作品應有盡有。

在那之前，馬奎霍對哲學問題的態(tài)度相當冷淡，認為物理學家不應涉足形而上學——關于“定律為何存在”的問題，應當交給其他領域處理。

但在斯莫林的書房中，他第一次接觸到哲學家保羅·費耶阿本德（Paul Feyerabend）的思想。費耶阿本德主張打破科學教條，倡導方法與理論的多元化，不僅適用于文化，也適用于科學本身。

這一思想影響了他與斯莫林之間的討論方式：他們常常刻意改變立場，重新審視同一問題，看推理會走向何處。這并不是弱點，而是一種方法論策略。

提出科學理論，并不等同于支持一支足球隊，科學不應被固定為單一立場。

從這個角度看，宇宙本身也可能遵循類似的“費耶阿本德式多元性”：在早期階段嘗試所有可能的規(guī)則組合，像隨機支持不同球隊一樣試探各種理論，直到某些結(jié)構(gòu)足夠穩(wěn)定并存續(xù)下來。

而那些能夠存活的規(guī)則體系，就會被我們誤認為是“命運”或“必然”。

人物介紹：

若昂·馬奎霍（Jo?o Magueijo）：倫敦帝國理工學院阿卜杜勒·薩拉姆理論物理中心的理論物理學教授。

他最著名的成就是開創(chuàng)了光速變化理論以及其他類似的替代標準宇宙學模型的理論。

近年來，他涉足了更為深奧的量子引力領域。

他撰寫了200多篇科學論文、兩本科普書籍——《超越光速》（Faster than the Speed of Light）和《璀璨的黑暗》（A Brilliant Darkness）、一本戲仿游記——《糟糕的旅行》（Bifes Mal Passados）和一部小說——《奧利法克》（Olifaque）。

他對任何被稱作“主流”的事物都抱有懷疑態(tài)度。

參考資料：

"Where did the laws of physics come from? I think I've found the answer" by Jo?o Magueijo. New Scientist, Published 11 May 2026

本文頭圖來源：量子號

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