| 写在前面： 1、本书是杜威拉森《New Light on Space and Time》一书的中译本，这本书没有复杂公式推导，可能是现有拉森物理学中最浅显易懂的一本，可以从中对拉森提出的宇宙“互反系统理论”有个定性的了解，看到该理论对当今物理学诸多难点问题的统一解释。理解拉森物理学最困难的部分可能是时空观的转变，而本书作为拉森物理学的入门读物正好合适。 2、译者翻译拉森物理学系列的目的是自我学习，当初的翻译只求自己能看懂，翻译力求“信”，不苛求“达雅”。此外，翻译的正确性和译者当前对拉森物理学思想的理解水平有关，将随着译者认识的不断深入而不定期的修正。 3、请读者用心去理解，不必盲从和妄加评论。 玄宇之光 |
时间与空间的新曙光翻译：玄宇之光2019.03.12 第四章 在现代科学活动中出现的最有趣的问题之一是人类的最终未来。毫无疑问的是，智人是一种适应性很强的物种，他成功地在各种各样的环境、气候和其他环境中茁壮成长。但他的适应能力是否能与蟑螂相比，使他能够生存数百万年，仍是 |
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一个悬而未决的问题。或者智人迟早会被一些新的更先进的物种所取代，就像他取代了直立人，取代了他的前人类祖先一样。这个有趣的问题不太可能在近期内得到权威的答案，但是为了本章的目的，让我们沉浸在幻想中，假设这些进化过程已经发生，智人已经被一个超级种族取代。然后让我们进一步假设，我们现在作为作者和读者关注这本书主题的人，是一群超级人种，超级智人的个体。让我们说——他们是被指派去完成确定物质宇宙基本结构的性质的使命的。
在我们穿上超级科学家的袍子，开始我们的项目之前，我们首先需要对这个问题给予一些思考，即超级智人比他的前任有什么优势。那些猜测超级种族可能出现的人通常会设想智力的大幅增长:平均智商提高到300或400。如果我们采用这种观点，我们将不得不在开始之前放弃我们的事业，因为复制一个更聪明的种族的心理过程显然是不可能的任务。但是，智力水平的提高并不是超级种族发展的唯一途径。
我们一位杰出的科幻作家最近刚刚发表了一个故事，在这个故事中，一个优秀的种族仅仅是通过抑制控制着智人如此多活动的情感反应，并将所有的决定和行动建立在逻辑分析和推理的基础上而发展起来的。如果我们付出必要的努力，至少在一个特定的任务上，在短时间内，我们应该能够复制它。
当然，科学在原则上已经接受了这样一种程序准则，但是科学家们所认同的作为一种原则的准则与他们在实际实践中所做的事情之间有很大的差距。原则上，对公认的观点进行有效的批评，应当被亲切地视为对科学知识有价值的贡献; 在实际中，这种批评被特定领域的“专家”强烈反对，正应了一句古老的谚语“事实才是真正的伤害”，批评越中肯，怨恨就越强烈。原则上，应当张开双臂欢迎一种新的价值观念。在实际中，即使是修改现有观点的一项相对温和的建议也会遭到厌恶和怀疑，而一项重大的新发展则必须与之斗争到底。最重要和最有价值的发现也不例外; 相反，他们常常遭到最敌意的接待。有些人，比如孟德尔在遗传学领域的基本发现，或是沃斯顿开创性地阐述了动力学理论，却从未成功地突破偏见和漠不关心的藩篱，而这些重要的发现在多年后被其他人重新发现之前一直处于休眠状态。其他重要的科学进步只能通过克服强烈的反对，更多的是基于情感而不是基于逻辑。例如，普朗克的量子理论，现在被认为是现代科学发展中最重要的理论之一，在经过了漫长而艰难的斗争之后才被接受，这期间，普朗克痛苦地抱怨道， “合理的论据被置若罔闻。”
为了承担我们作为超级智人种族的成员的角色，为了目前调查的目的，我们不仅需要抛开导致智人违反自己的科学程序准则的情感偏好和偏见，还同时也要克服人类特有的厌恶情绪，使之远离既定思想的安乐窝。这些要求很困难，但并非不可能。因此，让我们调整自己的思维，使之适应超级智人，对眼前的问题进行一项冷血的、合乎逻辑的、系统的研究。
用逻辑方法来解决我们这个超级种族所特有的所有问题，显然，首先，分析这类复杂问题的正确方法是首先探索其更简单、更基本的方面，然后逐渐研究更复杂的细节。作为我们的第一步，我们将研究宇宙中一些基本实体的属性和性质。我们从最基本的东西开始并不是绝对必要的，但是这样做有一定的好处，因此我们程序的第一项应该是确定我们在物理宇宙中可以找到的最基本的实体。虽然不同的物理实体并没有携带着“基本”或“非基本”的标签，但毫无疑问，区分“最基本”的主要候选者是空间和时间。
当然，还有其他观点。有些人会认为物质比空间和时间更基本，或者至少给物质一个坐标位置。空间和时间关系假说的支持者也可能会提出这样的论点:“事件”在逻辑上先于空间和时间，因此后者不可能是最根本的。但是要记住，这个结论纯粹是假设的，即使它碰巧是智人最喜欢的假设，也不能排除在事件之前存在的空间和时间的概念。此外，很明显，物质和事件都是非常复杂的实体，而空间和时间似乎更简单。因此，选择空间和时间作为调查的最初对象似乎是有根据的，特别是当我们记住，我们不需要从最基本的实体开始。如果我们在这里作出了错误的选择，我们就不会在成功的道路上设置任何不可逾越的障碍;我们只是让我们的任务更困难一些。
因此，我们的首要问题是确定空间和时间的一般性质以及它们之间的关系。由于宇宙中只有相对较小的一部分可以进行直接和准确的观测，我们不能直接做出决断，我们要做的是假设一些性质和关系，发展这些假设并得出结果，然后选择那些在可观测范围内的理论结果，把这些结果与观察到的事实进行比较。如果它们不一致，那么我们的一个或多个假设是不正确的，我们必须回到过去，在新的假设下全部重新开始. 如果它们完全一致，那么假设的有效性在一定程度上得到证实，这取决于所做假设的相关性的数量和多样性。因此，当前的问题是，我们应该做出什么假设?
在这里，再一次，一个超级种族的清晰和无偏见的视野使正确的路线变得明显; 要向我们最清晰展示这个问题，我们先检查普遍的情况：考虑任意数量的x和其他量y之间的关系。在这一普遍情况下，将有一个区域可以直接观察到（可达区域），另一个区域是不可访问的。可达区域中的物理关系当然可以直接确定，但为了完善我们的知识，我们需要确定的是不可达区域中的物理关系。因为根据定义，这种关系是未知的，它几乎可以是任何东西，而且可能的假设范围几乎是无限的。但当我们考虑这个一般情况时，如果没有干扰（它总是伴随着任何具体的物理状况），很明显有一个可能的假设，它比所有其他假设都要优越得多。这个非常优越的假设是这样一个假设，它使得我们在可达区域中发现的关系，在不可达区域中同样适用。
正如已经指出的，我们最初的假设，无论它是什么，最终都必须通过在它适用的所有物理领域中发展它的结果来检验，并确定这些结果是否与观测和测量的事实相符。但外推假设——假设我们在宇宙局部区域观察到的情况在整个宇宙中普遍存在——一开始就是我们能做出的最好的假设:它不仅比任何其他可能的假设都有更大的先验概率，而且比所有其他可能的假设加起来的概率都要大得多。例如，我们直接接触的空间是三维的，这一事实并不能保证它在任何地方都是三维的，也不能保证三维是空间的一般性质，但它意味着有一个非常强的概率使得：存在一个n维空间，但n的值不是3是不可能的。
如果我们从现代人的角度来看待这个问题，毫无疑问，我们会有一种倾向去质疑，一个物理关系外推的先验概率是否如前一段所示的那样大。因为人类对20世纪的物理学发展有非常深刻的印象，目前物理学的发展证明控制我们日常经验世界的一些基本关系，并不能外推到非常小和非常大的领域。但是，一个从逻辑和事实的角度来看待一切，而不受当时流行观点的情绪争论或宣传影响的种族，会意识到即使这是真的，与科学在当时的观测范围之外的地区进行外推的大量事例相比，所涉及的项目的数量也是非常小的，随后，通过改进的方法或仪器的发明，验证了外推的准确性。
此外，思维清晰的超级科学家会意识到，在上述案例中，外推关系的所谓“失败”只是一种假设。首先，智人可能会认为这种说法是荒谬的。运动定律在应用于宏观事件时是准确和可靠的，但不可否认的是，在应用于原子层面的事件时，它们不能给出正确的结果。因此，将这些定律外推到微观领域似乎是失败的。但是那些从这个角度看问题的人忽略了一个事实那就是这不是简单的推断;这是一个包含假设的外推。牛顿的运动定律在我们日常经验的层面上适用于我们所遇到的运动，单纯的外推就会得出这样的结论:无论运动存在于何处，定律都适用于这种运动。但是为了将这些定律应用到原子层面的事件中，不仅需要推断出定律的应用，而且要假定原子运动与宏观世界中所遇到的运动是一样的。如果这个假设是错误的(本卷的后续发展将表明它实际上是错误的)，那么所谓的“外推”根本就不是外推。
仔细检查会发现，外推关系的大多数“失败”都是这种性质。所谓的外推，实际上是外推加一个或多个假设，错误在于假设的错误性质，而不是被外推关系的不适用性。当然，这种“失败”与外推过程的可靠性完全无关，当我们把它们排除在考虑之外时，与大量成功的应用相比，发现外推物理关系不适用的情况的数量是微不足道的。由于经验的数学表达式决定了概率, 前一项关于外推关系有效性的先验概率的声明得到了充分的支持。
外推过程的内在优越性更为重要，因为通常不可能单独测试单个物理假设的结果。我们必须用于测试目的的大多数现象都是复杂的事件，它们不是空间或时间的单一属性的结果，而是空间和时间的许多属性的结果。即使是对概率论原则的最随意的考虑也足以强调，在这种情况下，通过推断观察结果可以获得巨大的好处。如果任何一个假设都是正确的概率非常低，就像对物理过程或性质做纯假设时的情况一样，那么所有这些假设都是正确的概率几乎可以忽略不计。此外，除了其中一个假设之外，所有这些假设都是正确的可能性也非常小。另一方面，如果每个假设都有很高的概率是正确的，当这些假设是外推时是正确的，那么超过一个假设是错误的概率接近于零。在这种情况下，如果最初的一组假设不能产生正确的结果，那么寻找正确答案的问题可以是依次替换其他的假设，每次替换一个，替换掉每个原始假设。当然，这类研究是一项艰巨的任务，但它有成功的机会，而如果两个或两个以上的原始假设都是错误的，那么一次替代技术就被排除在外，成功的几率几乎是令人望而却步的。
我们考虑一般情况从而直接导致的结论是：执行确定物质宇宙基本结构这个任务的步骤应该是确定空间和时间的性质以及这两个实体之间的关系（因为它们在可直接观察的区域内被表现出来），将这些特性和关系延伸至整个宇宙，从而推导出这些假设的结果，然后确定这些结果与观测的事实是否一致。很有可能我们会发现完全一致，如果是这样，用这种方式推导出来的假设集是正确的;如果存在任何差异，其中一个假设(但几乎肯定不超过一个)是错误的。然后我们要做的就是找到错误，在我们的假设中做必要的改变，并重复原过程。
第二章末尾总结了关于可直接观察区域内空间和时间的性质以及可达区域内这两个实体之间关系的性质的确定的概念性知识。根据前一段的结论，我们现在将对这些发现进行归纳(省略一个不确定的项目)，并将它们作为适用于整个宇宙的假设加以表达。以这种方式，我们得出以下假设:
宇宙是三维的，均匀的，各向同性的。
时间在宇宙中均匀地前进。
在整个宇宙中，空间和时间之间的标量关系是互反的，这个关系构成了运动。
这些假设的一个显著特征是缺乏关于时间的一维性的通常假设，鉴于第二章提出的观点，这种假设不能再被认为具有任何观测支持。然而，在这个阶段，并没有提出多维度的假设。我们现在要做的就是确定宇宙中空间和时间的性质和关系的什么样的假设，可以通过我们直接观察的外推可以合理地得到，而这些直接的观察结果没有告诉我们任何关于时间维度的信息。
因为我们以一个超级种族的清晰洞察力来看待这种情况，而不是通过偏见和先入为主的观点来阻碍智人的推理，我们将清楚地看到，上述清单中所有假设的逻辑状态是相同的。在每种情况下，已知区域的情况清楚而明确;我们已经排除了那些有问题的项目。因此，从已知到未知的任何外推都具有固有的强大的有效性概率，对所有这些假设都具有同等的效力。这并不是说，如果一个是真的，那么所有的一切都必然是真的，而是说，没有理由预先判断一个比另一个更可能正确。
这一点尤其重要，因为这些假设对智人来说是非常熟悉的，并且被他们作为不言自明的公理来接受。而另一些假设不仅完全陌生，而且相对于人类在这些问题上的固有思维习惯也完全陌生，因此受到人类以任何形式的应对异端式的对抗。科学家和门外汉都强烈倾向于将某些观点归类为“合理的”，因而可信。而其他的则被认为是“不合理的”，因而不值得认真考虑。但这实际上相当于在提供证据之前就在感情上对案件进行预判。确实，提出的许多想法或假设都是自相矛盾或直接与既定事实相冲突的，这些想法假设当然不能被接受，但是，它们和任何其他想法都不应该在任何预先的情感判断的基础上被谴责。如果他们必须被拒绝，那么只有在证据确凿之后才会这样做。在可以获得决定性证据的情况下，可以迅速作出判断，但如果没有充分的证据，则没有任何正当理由得出结论。
当我们从纯逻辑的角度来看待目前所考虑的情况时，没有人类对创新反应的情感暗示，很明显，只要我们在可达区域的观测结果是确定的和积极的，我们就有权利将其推断到其他区域，我们对外推过程的一般知识证明了这样一个论断，即推断的每一个假设都很可能是正确的。在我们能够采取下一步并断言它们实际上是正确的之前，有必要以标准的方式证明它们的有效性，表明它们满足与经验的对比验证，但是一开始就应该认识到，他们失败的可能性很小。
特别重要的是，在对这些基本假设的直接后果作出第一个推论时，要牢记这一事实。因为由此得出的结论将会使那些充满了之前想法和概念的人感到非常陌生——也许完全难以置信——甚至超级种族也会发现必要的思维调整相当困难。我们从外推的假设中得出的第一个结论是，既然这些假设规定了空间和时间之间存在一般的互反关系，那么这两个实体之间必然存在完全的标量对称。所有的属性，无论是单独的空间还是单独时间的，都同时是空间和时间的属性。因此，我们得出这个结论：空间和时间都是三维的、均匀的、各向同性的，并且都以匀速前进。
我们从原始假设中得出的每一个结论都为我们提供了一个检验整个假设及其理论推导系统有效性的机会。这样的检验测试不能给我们一个肯定的结果; 也就是说, 即使结论在各个方面都与观察到的和测量到的事实一致，这也不能保证系统是有效的，因为目前仍有可能与其他未知的事实发生冲突，只有遵守一些更为严格的要求才能消除这种可能性。但是任何测试都会给我们一个否定的结果。如果结论与任何积极的事实相冲突，这就足以成为反证。如果从一种推断到另一种推断出的任何性质都与既定事实不符，单独空间或单独时间的所有性质都同时是空间和时间的性质这个结论，将立即拆除。考虑到在我们通常想象的空间和时间之间存在着巨大的差异，这种差异应该很容易找到。但仔细研究后我们会发现事实并非如此;任何地方都没有冲突或不一致。
诚然，三维时间的概念与智人的思想是直接冲突的，但它只是与那些致命的事实相冲突，而人类对于时间维度的看法是不真实的。正如前面提到的，长期存在的一维时间概念是基于对时间维度性质的误解。时间的维度不是空间的维度，也不是任何类似空间的东西;它是时间本身的属性。运动方程中时间项的标量性质不是时间是一维的结果;它是“时间在空间中没有方向，无论它有多少维度或方向”的结果。因此，在我们的观察中，没有任何东西可以阻止时间的三维化，因为根据结论，时间具有我们在空间中观察到的所有性质。
对于那些习惯于沿着不同思路思考的人来说，类似于观察到的时间演进的空间演进的想法，可能比三维时间的概念更令人无法容忍，但事实是，我们有这样一个进展的实际观测证据。当然，我们看不到空间中的位置，但是我们可以看到占据空间位置的物体，通过现在正在使用的巨型望远镜，我们可以看到物体——星系——它们离我们如此之远，以致于它们可能拥有的任何随机运动都是不可观测的，引力对他们的影响减弱到不再是控制因素的程度。在这种情况下，如果有空间的演进，正如我们的理论发展所要求的，这些遥远的星系所占据的空间位置应该稳步地向外移动，携带着这些星系。而这正是我们观察到的事实。
我们通常把时间的演进想象成单向的流动，而不是向外的运动，但这是纯粹的假设。正如第二章所指出的，假定的一维时间流实际上是标量而不是一维的，当我们分析遥远星系的运动时，这也被证明是标量。从我们的银河系M来看，任何星系A的衰退都有一个明确的方向MA，但从星系B来看，衰退的方向是BA，但从星系C来看，衰退的方向是CA，等等。这意味着运动实际上没有特定的方向。它只是一个标量运动，从所有其他星系向外。
对这种积极和毫不含糊的确认的重要性怎么估计也不过分，因为“一个纯粹的临时假设”和“一个从一个来源得到并由另一个物理来源的独立证据所证实的假设”的地位有很大的不同。像“核力”这样把原子的假设成分连在一起的假设，以及引力效应从一个质量传递到另一个质量的引力的“传播”假设， 或者一种神秘的未命名的“力”，它可以诱导原子获得或失去电子以达到惰性气体的结构假设，所有这些只不过是“无知”的委婉说法。说“没有人知道是什么把原子的组成部分连在一起”，与说“原子被一种为这个特定目的而设想的“力量”结合在一起，在任何其他联系中完全不为人知”， 这二者有什么有意义的区别呢?
但是一个假设，比如空间的演进，它是基于我们在日常经验中对空间和时间的观察的外推而来的理论推论，然后，一种完全不同的物理现象证实了这一点，这种现象与我们的日常经验完全不同，即遥远星系的衰退，是一种完全不同的性质。有了这些信息，我们就可以断言，我们在这里增加了对物理宇宙的实际认识，并满怀信心地期待着在其他物理领域进一步成功地应用这一假设，这不仅代表着科学知识的进一步进步，而且还将进一步加强这一假设本身的强大地位。例如，在后面几页讨论的许多此类应用之一中，将显示出光的光子，就像遥远的星系一样，其行为完全符合时空演进假设的要求。
这就完成了我们委员会任务的第一阶段。由于空间和时间具有在单独空间或单独时间中观察到的所有性质的结论，是通过具有高度置信度的过程推导出来的，由于没有与此结论不一致的事实证据，而有有力的证据支持它所引入的创新的有效性，我们认为这一结论是正确的。这极大地扩展了我们对空间和时间的知识，当我们现在所拥有的所有知识都以系统的形式明确地表述出来时，我们就会得出一种宇宙结构的基本理论，这是我们的委员会奉命制定的。然而，在我们能够以适当的形式表达这一理论之前，还有一些额外的问题需要考虑。
我们要研究的一个问题是空间和时间是连续的还是存在于离散的单位中。在这里，我们发现在整个科学史上，对物理世界的不连续的认识一直在稳步增长。在最初提出物质的原子结构时，所有其他主要的物理现象都被认为是连续的和无限可分的。然而，随着认识的增长，越来越多的物理现象被发现只存在于离散单位中。电荷和辐射能的离散性质已经得到了很好的证实，而且有越来越多的证据表明，在诸如如磁力等其他现象中存在基本单位。如果我们投射这一趋势，我们可以合理地得出这样的结论:当所有的事实已知的时候，基本的实体，空间和时间，也将被发现仅存在于离散的单元中。
进一步的数学发展将表明，空间和时间对离散单元的限制是先前的假设的必然结果，特别是互反假设，但就目前而言，最好将其视为一个额外的假设，如上文所述，通过预测物理知识增加的现有趋势来加以证明。因此，我们将在我们的假设清单中添加这样的假设。
另一个需要考虑的问题是空间和时间，正如我们现在在我们的新知识下所看到的，由于这两个实体的存在和我们现在知道它们所拥有的属性所必然产生的后果，有足够大的外延来组成一个完整的物理宇宙，或者是否必须假设存在一些额外的基本实体，例如物质，以完成理论图画。在这里，我们别无选择，只能做一个纯粹的假设。然而，显然不希望在理论发展中引入更多的复杂性，除非这样做真的必要。因此，我们将从这样的假设开始:空间和时间是物理宇宙的唯一组成部分。如果必要的话，还可以引入其他因素，但不能使可能已经取得的任何进展失效，以致采取这种行动。
在阐述这一假设时，我们遇到了这样一个问题:我们是否应该把空间和时间视为独立但相关的实体，或者作为同一基本实体的两个不同方面，如果我们选择后一种，我们是否应该称这个实体为时空或运动。这些问题与思想的发展没有关系，因此我们可以在方便的基础上做出选择。
从这个观点来看，选择那些在现有思想的背景下最容易理解的术语似乎是明智的，这些术语将有助于向熟悉以前所接受的思想的人解释新的理论结构。因此，我们会说宇宙只有一个组成部分，就目前而言，我们将称这个组成部分为时空，我们理解这一项等同于运动，当运动是在最一般的意义上进行时。
虽然时空的演进是我们在宇宙已知区域外推所获得的知识项目之一，我们不需要在假设中包含这个演进，因为它是由其他假设外推导出的必然结果。空间和时间的同质性和各向同性以及演进的均匀性也是如此。因此，在我们重申基本假设时，我们将省略这些项目。但应该理解的是，这些项目对于理论的发展是必不可少的，如果有人对将它们从其余的假设推导出来的有效性提出疑问，这仅仅意味着它们必须恢复到基本的假定。后续理论推演的进程不会因任何此类问题而改变。
除了对宇宙的物理性质所作的假设之外，还必须对其数学行为作出一些假设。在这里，我们将遵循同样的程序推断：我们发现存在于可直接观测区域的关系，并假设它们适用于整个宇宙。这样，我们就得到了宇宙总体上符合普通交换数学关系的假设，它的大小是绝对的，它的几何形状是欧几里得的。
我们的委员会现在准备提出它的第一个进展报告。在这份报告中，我们会说，我们发现有可能将一个非常可靠的过程——观察到的关系的外推——应用到分配给我们的问题上，通过完全利用这一过程，而不引入任何不受支持的或特别的假设，我们就能够提出关于物理宇宙的基本性质的两个假设，而且它们有很高的概率是正确的。对这些假设的后果的全面发展应该会导致对宇宙结构的完整定义。这些假设可以表示为:
第一个基本假设:物理宇宙完全由一个组成部分时空组成，存在于三维中，以离散的单位存在，时空以两种互反形式存在，即空间和时间。
第二基本假设:物理宇宙符合普通交换数学的关系，其大小是绝对的，几何是欧几里得几何。
在这时，我们将走出我们的超人的角色，回到更平凡的人类活动世界。超级委员会面前仍有一项任务，即证明这些假设的有效性，这可以通过采用类似的逻辑和系统程序来完成，但是，本卷的目的是阐明新理论结构的思想和概念，而不是证明它是正确的。大多数证明的要求在以前的出版物中已经得到满足，任何仍然存在的缺陷，或可能存在的缺陷，都将在这些工作的未来扩展或增加中加以处理。但是，已经和将要提出的证明的性质与本卷的主题有关，并将在下一章讨论。
在我们穿上超级科学家的袍子，开始我们的项目之前，我们首先需要对这个问题给予一些思考，即超级智人比他的前任有什么优势。那些猜测超级种族可能出现的人通常会设想智力的大幅增长:平均智商提高到300或400。如果我们采用这种观点，我们将不得不在开始之前放弃我们的事业，因为复制一个更聪明的种族的心理过程显然是不可能的任务。但是，智力水平的提高并不是超级种族发展的唯一途径。
我们一位杰出的科幻作家最近刚刚发表了一个故事，在这个故事中，一个优秀的种族仅仅是通过抑制控制着智人如此多活动的情感反应，并将所有的决定和行动建立在逻辑分析和推理的基础上而发展起来的。如果我们付出必要的努力，至少在一个特定的任务上，在短时间内，我们应该能够复制它。
当然，科学在原则上已经接受了这样一种程序准则，但是科学家们所认同的作为一种原则的准则与他们在实际实践中所做的事情之间有很大的差距。原则上，对公认的观点进行有效的批评，应当被亲切地视为对科学知识有价值的贡献; 在实际中，这种批评被特定领域的“专家”强烈反对，正应了一句古老的谚语“事实才是真正的伤害”，批评越中肯，怨恨就越强烈。原则上，应当张开双臂欢迎一种新的价值观念。在实际中，即使是修改现有观点的一项相对温和的建议也会遭到厌恶和怀疑，而一项重大的新发展则必须与之斗争到底。最重要和最有价值的发现也不例外; 相反，他们常常遭到最敌意的接待。有些人，比如孟德尔在遗传学领域的基本发现，或是沃斯顿开创性地阐述了动力学理论，却从未成功地突破偏见和漠不关心的藩篱，而这些重要的发现在多年后被其他人重新发现之前一直处于休眠状态。其他重要的科学进步只能通过克服强烈的反对，更多的是基于情感而不是基于逻辑。例如，普朗克的量子理论，现在被认为是现代科学发展中最重要的理论之一，在经过了漫长而艰难的斗争之后才被接受，这期间，普朗克痛苦地抱怨道， “合理的论据被置若罔闻。”
为了承担我们作为超级智人种族的成员的角色，为了目前调查的目的，我们不仅需要抛开导致智人违反自己的科学程序准则的情感偏好和偏见，还同时也要克服人类特有的厌恶情绪，使之远离既定思想的安乐窝。这些要求很困难，但并非不可能。因此，让我们调整自己的思维，使之适应超级智人，对眼前的问题进行一项冷血的、合乎逻辑的、系统的研究。
用逻辑方法来解决我们这个超级种族所特有的所有问题，显然，首先，分析这类复杂问题的正确方法是首先探索其更简单、更基本的方面，然后逐渐研究更复杂的细节。作为我们的第一步，我们将研究宇宙中一些基本实体的属性和性质。我们从最基本的东西开始并不是绝对必要的，但是这样做有一定的好处，因此我们程序的第一项应该是确定我们在物理宇宙中可以找到的最基本的实体。虽然不同的物理实体并没有携带着“基本”或“非基本”的标签，但毫无疑问，区分“最基本”的主要候选者是空间和时间。
当然，还有其他观点。有些人会认为物质比空间和时间更基本，或者至少给物质一个坐标位置。空间和时间关系假说的支持者也可能会提出这样的论点:“事件”在逻辑上先于空间和时间，因此后者不可能是最根本的。但是要记住，这个结论纯粹是假设的，即使它碰巧是智人最喜欢的假设，也不能排除在事件之前存在的空间和时间的概念。此外，很明显，物质和事件都是非常复杂的实体，而空间和时间似乎更简单。因此，选择空间和时间作为调查的最初对象似乎是有根据的，特别是当我们记住，我们不需要从最基本的实体开始。如果我们在这里作出了错误的选择，我们就不会在成功的道路上设置任何不可逾越的障碍;我们只是让我们的任务更困难一些。
因此，我们的首要问题是确定空间和时间的一般性质以及它们之间的关系。由于宇宙中只有相对较小的一部分可以进行直接和准确的观测，我们不能直接做出决断，我们要做的是假设一些性质和关系，发展这些假设并得出结果，然后选择那些在可观测范围内的理论结果，把这些结果与观察到的事实进行比较。如果它们不一致，那么我们的一个或多个假设是不正确的，我们必须回到过去，在新的假设下全部重新开始. 如果它们完全一致，那么假设的有效性在一定程度上得到证实，这取决于所做假设的相关性的数量和多样性。因此，当前的问题是，我们应该做出什么假设?
在这里，再一次，一个超级种族的清晰和无偏见的视野使正确的路线变得明显; 要向我们最清晰展示这个问题，我们先检查普遍的情况：考虑任意数量的x和其他量y之间的关系。在这一普遍情况下，将有一个区域可以直接观察到（可达区域），另一个区域是不可访问的。可达区域中的物理关系当然可以直接确定，但为了完善我们的知识，我们需要确定的是不可达区域中的物理关系。因为根据定义，这种关系是未知的，它几乎可以是任何东西，而且可能的假设范围几乎是无限的。但当我们考虑这个一般情况时，如果没有干扰（它总是伴随着任何具体的物理状况），很明显有一个可能的假设，它比所有其他假设都要优越得多。这个非常优越的假设是这样一个假设，它使得我们在可达区域中发现的关系，在不可达区域中同样适用。
正如已经指出的，我们最初的假设，无论它是什么，最终都必须通过在它适用的所有物理领域中发展它的结果来检验，并确定这些结果是否与观测和测量的事实相符。但外推假设——假设我们在宇宙局部区域观察到的情况在整个宇宙中普遍存在——一开始就是我们能做出的最好的假设:它不仅比任何其他可能的假设都有更大的先验概率，而且比所有其他可能的假设加起来的概率都要大得多。例如，我们直接接触的空间是三维的，这一事实并不能保证它在任何地方都是三维的，也不能保证三维是空间的一般性质，但它意味着有一个非常强的概率使得：存在一个n维空间，但n的值不是3是不可能的。
如果我们从现代人的角度来看待这个问题，毫无疑问，我们会有一种倾向去质疑，一个物理关系外推的先验概率是否如前一段所示的那样大。因为人类对20世纪的物理学发展有非常深刻的印象，目前物理学的发展证明控制我们日常经验世界的一些基本关系，并不能外推到非常小和非常大的领域。但是，一个从逻辑和事实的角度来看待一切，而不受当时流行观点的情绪争论或宣传影响的种族，会意识到即使这是真的，与科学在当时的观测范围之外的地区进行外推的大量事例相比，所涉及的项目的数量也是非常小的，随后，通过改进的方法或仪器的发明，验证了外推的准确性。
此外，思维清晰的超级科学家会意识到，在上述案例中，外推关系的所谓“失败”只是一种假设。首先，智人可能会认为这种说法是荒谬的。运动定律在应用于宏观事件时是准确和可靠的，但不可否认的是，在应用于原子层面的事件时，它们不能给出正确的结果。因此，将这些定律外推到微观领域似乎是失败的。但是那些从这个角度看问题的人忽略了一个事实那就是这不是简单的推断;这是一个包含假设的外推。牛顿的运动定律在我们日常经验的层面上适用于我们所遇到的运动，单纯的外推就会得出这样的结论:无论运动存在于何处，定律都适用于这种运动。但是为了将这些定律应用到原子层面的事件中，不仅需要推断出定律的应用，而且要假定原子运动与宏观世界中所遇到的运动是一样的。如果这个假设是错误的(本卷的后续发展将表明它实际上是错误的)，那么所谓的“外推”根本就不是外推。
仔细检查会发现，外推关系的大多数“失败”都是这种性质。所谓的外推，实际上是外推加一个或多个假设，错误在于假设的错误性质，而不是被外推关系的不适用性。当然，这种“失败”与外推过程的可靠性完全无关，当我们把它们排除在考虑之外时，与大量成功的应用相比，发现外推物理关系不适用的情况的数量是微不足道的。由于经验的数学表达式决定了概率, 前一项关于外推关系有效性的先验概率的声明得到了充分的支持。
外推过程的内在优越性更为重要，因为通常不可能单独测试单个物理假设的结果。我们必须用于测试目的的大多数现象都是复杂的事件，它们不是空间或时间的单一属性的结果，而是空间和时间的许多属性的结果。即使是对概率论原则的最随意的考虑也足以强调，在这种情况下，通过推断观察结果可以获得巨大的好处。如果任何一个假设都是正确的概率非常低，就像对物理过程或性质做纯假设时的情况一样，那么所有这些假设都是正确的概率几乎可以忽略不计。此外，除了其中一个假设之外，所有这些假设都是正确的可能性也非常小。另一方面，如果每个假设都有很高的概率是正确的，当这些假设是外推时是正确的，那么超过一个假设是错误的概率接近于零。在这种情况下，如果最初的一组假设不能产生正确的结果，那么寻找正确答案的问题可以是依次替换其他的假设，每次替换一个，替换掉每个原始假设。当然，这类研究是一项艰巨的任务，但它有成功的机会，而如果两个或两个以上的原始假设都是错误的，那么一次替代技术就被排除在外，成功的几率几乎是令人望而却步的。
我们考虑一般情况从而直接导致的结论是：执行确定物质宇宙基本结构这个任务的步骤应该是确定空间和时间的性质以及这两个实体之间的关系（因为它们在可直接观察的区域内被表现出来），将这些特性和关系延伸至整个宇宙，从而推导出这些假设的结果，然后确定这些结果与观测的事实是否一致。很有可能我们会发现完全一致，如果是这样，用这种方式推导出来的假设集是正确的;如果存在任何差异，其中一个假设(但几乎肯定不超过一个)是错误的。然后我们要做的就是找到错误，在我们的假设中做必要的改变，并重复原过程。
第二章末尾总结了关于可直接观察区域内空间和时间的性质以及可达区域内这两个实体之间关系的性质的确定的概念性知识。根据前一段的结论，我们现在将对这些发现进行归纳(省略一个不确定的项目)，并将它们作为适用于整个宇宙的假设加以表达。以这种方式，我们得出以下假设:
宇宙是三维的，均匀的，各向同性的。
时间在宇宙中均匀地前进。
在整个宇宙中，空间和时间之间的标量关系是互反的，这个关系构成了运动。
这些假设的一个显著特征是缺乏关于时间的一维性的通常假设，鉴于第二章提出的观点，这种假设不能再被认为具有任何观测支持。然而，在这个阶段，并没有提出多维度的假设。我们现在要做的就是确定宇宙中空间和时间的性质和关系的什么样的假设，可以通过我们直接观察的外推可以合理地得到，而这些直接的观察结果没有告诉我们任何关于时间维度的信息。
因为我们以一个超级种族的清晰洞察力来看待这种情况，而不是通过偏见和先入为主的观点来阻碍智人的推理，我们将清楚地看到，上述清单中所有假设的逻辑状态是相同的。在每种情况下，已知区域的情况清楚而明确;我们已经排除了那些有问题的项目。因此，从已知到未知的任何外推都具有固有的强大的有效性概率，对所有这些假设都具有同等的效力。这并不是说，如果一个是真的，那么所有的一切都必然是真的，而是说，没有理由预先判断一个比另一个更可能正确。
这一点尤其重要，因为这些假设对智人来说是非常熟悉的，并且被他们作为不言自明的公理来接受。而另一些假设不仅完全陌生，而且相对于人类在这些问题上的固有思维习惯也完全陌生，因此受到人类以任何形式的应对异端式的对抗。科学家和门外汉都强烈倾向于将某些观点归类为“合理的”，因而可信。而其他的则被认为是“不合理的”，因而不值得认真考虑。但这实际上相当于在提供证据之前就在感情上对案件进行预判。确实，提出的许多想法或假设都是自相矛盾或直接与既定事实相冲突的，这些想法假设当然不能被接受，但是，它们和任何其他想法都不应该在任何预先的情感判断的基础上被谴责。如果他们必须被拒绝，那么只有在证据确凿之后才会这样做。在可以获得决定性证据的情况下，可以迅速作出判断，但如果没有充分的证据，则没有任何正当理由得出结论。
当我们从纯逻辑的角度来看待目前所考虑的情况时，没有人类对创新反应的情感暗示，很明显，只要我们在可达区域的观测结果是确定的和积极的，我们就有权利将其推断到其他区域，我们对外推过程的一般知识证明了这样一个论断，即推断的每一个假设都很可能是正确的。在我们能够采取下一步并断言它们实际上是正确的之前，有必要以标准的方式证明它们的有效性，表明它们满足与经验的对比验证，但是一开始就应该认识到，他们失败的可能性很小。
特别重要的是，在对这些基本假设的直接后果作出第一个推论时，要牢记这一事实。因为由此得出的结论将会使那些充满了之前想法和概念的人感到非常陌生——也许完全难以置信——甚至超级种族也会发现必要的思维调整相当困难。我们从外推的假设中得出的第一个结论是，既然这些假设规定了空间和时间之间存在一般的互反关系，那么这两个实体之间必然存在完全的标量对称。所有的属性，无论是单独的空间还是单独时间的，都同时是空间和时间的属性。因此，我们得出这个结论：空间和时间都是三维的、均匀的、各向同性的，并且都以匀速前进。
我们从原始假设中得出的每一个结论都为我们提供了一个检验整个假设及其理论推导系统有效性的机会。这样的检验测试不能给我们一个肯定的结果; 也就是说, 即使结论在各个方面都与观察到的和测量到的事实一致，这也不能保证系统是有效的，因为目前仍有可能与其他未知的事实发生冲突，只有遵守一些更为严格的要求才能消除这种可能性。但是任何测试都会给我们一个否定的结果。如果结论与任何积极的事实相冲突，这就足以成为反证。如果从一种推断到另一种推断出的任何性质都与既定事实不符，单独空间或单独时间的所有性质都同时是空间和时间的性质这个结论，将立即拆除。考虑到在我们通常想象的空间和时间之间存在着巨大的差异，这种差异应该很容易找到。但仔细研究后我们会发现事实并非如此;任何地方都没有冲突或不一致。
诚然，三维时间的概念与智人的思想是直接冲突的，但它只是与那些致命的事实相冲突，而人类对于时间维度的看法是不真实的。正如前面提到的，长期存在的一维时间概念是基于对时间维度性质的误解。时间的维度不是空间的维度，也不是任何类似空间的东西;它是时间本身的属性。运动方程中时间项的标量性质不是时间是一维的结果;它是“时间在空间中没有方向，无论它有多少维度或方向”的结果。因此，在我们的观察中，没有任何东西可以阻止时间的三维化，因为根据结论，时间具有我们在空间中观察到的所有性质。
对于那些习惯于沿着不同思路思考的人来说，类似于观察到的时间演进的空间演进的想法，可能比三维时间的概念更令人无法容忍，但事实是，我们有这样一个进展的实际观测证据。当然，我们看不到空间中的位置，但是我们可以看到占据空间位置的物体，通过现在正在使用的巨型望远镜，我们可以看到物体——星系——它们离我们如此之远，以致于它们可能拥有的任何随机运动都是不可观测的，引力对他们的影响减弱到不再是控制因素的程度。在这种情况下，如果有空间的演进，正如我们的理论发展所要求的，这些遥远的星系所占据的空间位置应该稳步地向外移动，携带着这些星系。而这正是我们观察到的事实。
我们通常把时间的演进想象成单向的流动，而不是向外的运动，但这是纯粹的假设。正如第二章所指出的，假定的一维时间流实际上是标量而不是一维的，当我们分析遥远星系的运动时，这也被证明是标量。从我们的银河系M来看，任何星系A的衰退都有一个明确的方向MA，但从星系B来看，衰退的方向是BA，但从星系C来看，衰退的方向是CA，等等。这意味着运动实际上没有特定的方向。它只是一个标量运动，从所有其他星系向外。
对这种积极和毫不含糊的确认的重要性怎么估计也不过分，因为“一个纯粹的临时假设”和“一个从一个来源得到并由另一个物理来源的独立证据所证实的假设”的地位有很大的不同。像“核力”这样把原子的假设成分连在一起的假设，以及引力效应从一个质量传递到另一个质量的引力的“传播”假设， 或者一种神秘的未命名的“力”，它可以诱导原子获得或失去电子以达到惰性气体的结构假设，所有这些只不过是“无知”的委婉说法。说“没有人知道是什么把原子的组成部分连在一起”，与说“原子被一种为这个特定目的而设想的“力量”结合在一起，在任何其他联系中完全不为人知”， 这二者有什么有意义的区别呢?
但是一个假设，比如空间的演进，它是基于我们在日常经验中对空间和时间的观察的外推而来的理论推论，然后，一种完全不同的物理现象证实了这一点，这种现象与我们的日常经验完全不同，即遥远星系的衰退，是一种完全不同的性质。有了这些信息，我们就可以断言，我们在这里增加了对物理宇宙的实际认识，并满怀信心地期待着在其他物理领域进一步成功地应用这一假设，这不仅代表着科学知识的进一步进步，而且还将进一步加强这一假设本身的强大地位。例如，在后面几页讨论的许多此类应用之一中，将显示出光的光子，就像遥远的星系一样，其行为完全符合时空演进假设的要求。
这就完成了我们委员会任务的第一阶段。由于空间和时间具有在单独空间或单独时间中观察到的所有性质的结论，是通过具有高度置信度的过程推导出来的，由于没有与此结论不一致的事实证据，而有有力的证据支持它所引入的创新的有效性，我们认为这一结论是正确的。这极大地扩展了我们对空间和时间的知识，当我们现在所拥有的所有知识都以系统的形式明确地表述出来时，我们就会得出一种宇宙结构的基本理论，这是我们的委员会奉命制定的。然而，在我们能够以适当的形式表达这一理论之前，还有一些额外的问题需要考虑。
我们要研究的一个问题是空间和时间是连续的还是存在于离散的单位中。在这里，我们发现在整个科学史上，对物理世界的不连续的认识一直在稳步增长。在最初提出物质的原子结构时，所有其他主要的物理现象都被认为是连续的和无限可分的。然而，随着认识的增长，越来越多的物理现象被发现只存在于离散单位中。电荷和辐射能的离散性质已经得到了很好的证实，而且有越来越多的证据表明，在诸如如磁力等其他现象中存在基本单位。如果我们投射这一趋势，我们可以合理地得出这样的结论:当所有的事实已知的时候，基本的实体，空间和时间，也将被发现仅存在于离散的单元中。
进一步的数学发展将表明，空间和时间对离散单元的限制是先前的假设的必然结果，特别是互反假设，但就目前而言，最好将其视为一个额外的假设，如上文所述，通过预测物理知识增加的现有趋势来加以证明。因此，我们将在我们的假设清单中添加这样的假设。
另一个需要考虑的问题是空间和时间，正如我们现在在我们的新知识下所看到的，由于这两个实体的存在和我们现在知道它们所拥有的属性所必然产生的后果，有足够大的外延来组成一个完整的物理宇宙，或者是否必须假设存在一些额外的基本实体，例如物质，以完成理论图画。在这里，我们别无选择，只能做一个纯粹的假设。然而，显然不希望在理论发展中引入更多的复杂性，除非这样做真的必要。因此，我们将从这样的假设开始:空间和时间是物理宇宙的唯一组成部分。如果必要的话，还可以引入其他因素，但不能使可能已经取得的任何进展失效，以致采取这种行动。
在阐述这一假设时，我们遇到了这样一个问题:我们是否应该把空间和时间视为独立但相关的实体，或者作为同一基本实体的两个不同方面，如果我们选择后一种，我们是否应该称这个实体为时空或运动。这些问题与思想的发展没有关系，因此我们可以在方便的基础上做出选择。
从这个观点来看，选择那些在现有思想的背景下最容易理解的术语似乎是明智的，这些术语将有助于向熟悉以前所接受的思想的人解释新的理论结构。因此，我们会说宇宙只有一个组成部分，就目前而言，我们将称这个组成部分为时空，我们理解这一项等同于运动，当运动是在最一般的意义上进行时。
虽然时空的演进是我们在宇宙已知区域外推所获得的知识项目之一，我们不需要在假设中包含这个演进，因为它是由其他假设外推导出的必然结果。空间和时间的同质性和各向同性以及演进的均匀性也是如此。因此，在我们重申基本假设时，我们将省略这些项目。但应该理解的是，这些项目对于理论的发展是必不可少的，如果有人对将它们从其余的假设推导出来的有效性提出疑问，这仅仅意味着它们必须恢复到基本的假定。后续理论推演的进程不会因任何此类问题而改变。
除了对宇宙的物理性质所作的假设之外，还必须对其数学行为作出一些假设。在这里，我们将遵循同样的程序推断：我们发现存在于可直接观测区域的关系，并假设它们适用于整个宇宙。这样，我们就得到了宇宙总体上符合普通交换数学关系的假设，它的大小是绝对的，它的几何形状是欧几里得的。
我们的委员会现在准备提出它的第一个进展报告。在这份报告中，我们会说，我们发现有可能将一个非常可靠的过程——观察到的关系的外推——应用到分配给我们的问题上，通过完全利用这一过程，而不引入任何不受支持的或特别的假设，我们就能够提出关于物理宇宙的基本性质的两个假设，而且它们有很高的概率是正确的。对这些假设的后果的全面发展应该会导致对宇宙结构的完整定义。这些假设可以表示为:
第一个基本假设:物理宇宙完全由一个组成部分时空组成，存在于三维中，以离散的单位存在，时空以两种互反形式存在，即空间和时间。
第二基本假设:物理宇宙符合普通交换数学的关系，其大小是绝对的，几何是欧几里得几何。
在这时，我们将走出我们的超人的角色，回到更平凡的人类活动世界。超级委员会面前仍有一项任务，即证明这些假设的有效性，这可以通过采用类似的逻辑和系统程序来完成，但是，本卷的目的是阐明新理论结构的思想和概念，而不是证明它是正确的。大多数证明的要求在以前的出版物中已经得到满足，任何仍然存在的缺陷，或可能存在的缺陷，都将在这些工作的未来扩展或增加中加以处理。但是，已经和将要提出的证明的性质与本卷的主题有关，并将在下一章讨论。