史蒂芬 · 霍金和勒納德 · 穆洛迪諾：哲學已死

利用假期粗讀了史蒂芬 · 霍金和勒納德 · 穆洛迪諾（Leonard Mlodinow）合著的新書《大設計》（ The Grand Design ）。這本書連序共九章，分別為「存在之謎」，「定律規則」，「何為實在」，「可擇歷史」，「萬物理論」，「選擇宇宙」，「表觀奇蹟」，「偉大設計」，最後附有小詞典。

在本部著作中，兩位作者力求對數學和物理學作一個詳細的歷史性總結，對關係到宇宙及其起源的各種複雜數學模型和數學理論進行闡釋。他們在書中寫道 「哲學已死。哲學跟不上科學，特別是物理學現代發展的步伐」，「宇宙創造過程中，上帝沒有位置。沒有必要藉助上帝來為宇宙按下啟動鍵」、「由於存在萬有引力等定律，因此宇宙能夠，而且將是從無到有自己創造了自己。自然發生說是有物而非無物存在的原因，是宇宙和人類存在的原因。沒必要藉助上帝引燃藍色導火線，讓宇宙誕生」——換言之，兩位作者向世人宣告：哲學和上帝已經雙雙歸西！這會是尼采之後，又一次令人震撼的宣言么?

在這本書的結尾部分，兩位作者留下了一系列令人反思的問題。他們寫道：「人們可以將生物定義為穩定並能複製自身的有限尺度的複雜系統。上述的對象滿足複製的條件，但也許不穩定：從外界來的微小擾動也許會破毀其脆弱的機制。然而，很容易想像，稍微複雜的定律會允許具有生命所有品格的複雜系統。想像那種類型的一個實體，在康威類型世界中的一個對象。這樣的對象會對外界的刺激反應，因此顯得在做決定。這樣的生命有自我意識嗎？這是一個有關意見極端對立的問題。有些人宣布自我意識是人類獨有的東西。它賦予他們以自由 意志，在不同的行動過程中作選擇的能力。」他們追問說，「人們何以識別一個存在是否具有自由意志？如果人們邂逅一個外星人，何以辨識它只不過是一個機器人或擁有自己的精神？機器人的行為是完全被確定的，不象具有自由意志生物的行為。這樣人們可在原則上檢測出機器人是一個行為能被預言的存在。正如我們在第二章說過的，如果該存在很大很複雜，就或許困難的實現不了。我們甚至不可能精確地解三個或更多的相互作用的粒子的方程。由於具有人的尺度的外星人大約會包含一千億億億個粒子，即便外星人是一個機器人，也不可能解這方程並預言其要做什麼。因此，我們只好說，任何複雜存在具有自由 意志——不做為一個基本的特性，卻做為一個有效理論，承認我們沒能力做出能使我們預言其行為的計算。」

這是一本值得細讀的書，正如這本書的中譯者吳忠超先生在序中說，《大設計》是霍金在其《時間簡史》之後最重要的著作。這本書的主題是理解生命，萬物和宇宙的存在。

為便於大家對這本書有一本大致的了解，我們將這本書的部分內容收錄於後。書的內容來源於網路，如有侵權，請告之，我們將立即處理。

第一章 存在之謎

我們個人存在的時間都極為短暫，其間只能探索整個宇宙的小部分。但人類是好奇的族類。我們驚訝，我們尋求答案。生活在這一廣闊的時而親切時而殘酷的世界中，人們仰望浩渺的星空，不斷地提出一長串問題：我們怎麼能理解我們處於其中的世界呢？宇宙如何運行？什麼是實在的本性？所有這一切從何而來？宇宙需要一個造物主嗎？我們中的多數人在大部分時間裡不為這些問題煩惱，但是我們幾乎每個人有時會為這些問題困擾。

按照傳統，這是些哲學要回答的問題，但哲學已死。哲學跟不上科學，特別是物理學現代發展的步伐。在我們探索知識的旅程中，科學家已成高擎火炬者。本書的目的是給出由最近發現和理論進展所提示的答案。它們把我們引向宇宙以及我們在其中的位置的最新圖像，這種圖像和傳統的，甚至與僅一二十年前我們畫出的圖像都大相徑庭。儘管如此，新概念的最初梗概幾乎可以追溯到一個世紀之前。

根據宇宙的傳統觀念，物體沿著明確定義的途徑運動，而且具有確定的歷史。我們能夠指定其每一時刻的精密位置。儘管，對於日常的目的這種描述已是足夠成功，但在1920年代發現這種「經典」圖像不能解釋在原子和次原子的存在尺度下觀察到的似乎奇異的行為。反而，必須採用一種稱為量子物理的不同的框架。結果發現在預見那種尺度的事件時，量子物理特別精確，而且在應用於日常生活的宏觀世界時，還重複了舊的經典理論的預言。然而，量子物理和經典物理是基於物理實在性的非常不同的觀念之上。

可以用許多不同方式來表述量子論，但是里查德費恩曼給出的表述大概是最直觀的。他是一位多姿多彩的人物，在加州理工學院工作，並在街上的脫衣 舞廳敲擊小鼓。按照費恩曼的說法，一個系統不僅有一個歷史，而且具有每種可能的歷史。隨著我們尋求答案，我們要仔細地解釋費恩曼的方法，並使用它來探討這種思想，即宇宙的本身沒有單獨的歷史，甚至也沒有悠然獨立的存在。這聽起來似乎是激進的思想，甚至對於許多物理學家而言也是如此。的確，正如當今科學中的許多概念，它似乎違反常識。但是常識是基於日常經驗之上，而非基於通過一些無比美妙的技術被揭示的宇宙之上，這些技術中有一部分使我們得以深入窺探原子或者觀測早期宇宙。

直至現代物理的出現，一般認為有關世界的一切知識都可以通過直接觀測而獲取。事物就是它們看起來的樣子，正如通過我們的感官而覺察到的。但是現代物理的輝煌的成功顯示，情況並非如此。現代物理是基於諸如費恩曼的與日常經驗相抵觸的概念之上。因此，實在性的幼稚的觀點和現代物理不相容。為了對付這樣的自相矛盾，我們將採用一種稱之為依賴模型的現實主義的方法。它是基於這樣的觀念，即我們的頭腦以構造一個世界模型來解釋自感官來的輸入。當這樣的模型成功地解釋事件，我們就傾向於將實在性或絕對真理的品格賦予它，以及組成它的元素和概念。但是在為同樣的物理場景作模型時，也許存在不同方法，每種方法使用不同的基本元素和概念。如果兩個這樣的物理理論或模型都精確地預言同樣事件，人們就不能講一個模型比另一個更真實；說得更精確點，哪個模型更方便我們就隨意地使用哪個。

在科學史上，從柏拉圖到牛頓的經典理論，再到現代量子理論，我們發現了越來越好的理論和模型序列。人們很自然詢問：這個序列最後會終結於一個將包括所有的力並能預言所有對宇宙觀測的終極理論嗎？或者我們將永遠尋求越來越好的理論，但永遠找不到不能再改善的那個？我們對這個問題尚無確定答案。但是如果確實存在一個的話，我們現在擁有了一個稱作m理論的萬物終極理論的候選者。m理論上擁有我們認為最後理論所應具備的所有性質的僅有的模型，在下面討論中，我們要大量地以它作為基礎的正是這個理論。

m理論不是通常意義上的一種理論。它是整個一族不同的理論，其中的每一種只在物理場景的某一範圍很好地描述觀測。它有點像地圖。眾所周知，人們用一張單獨的地圖不能展現地球的整個表面。通常應用於世界地圖的麥卡脫投影使遙遠的北方和南方的面積顯得越來越大，而且不覆蓋北南二極。為了如實地繪製整個地球的地圖，人們必須利用一組地圖，每一張地圖覆蓋有限的範圍。這些地圖相互交 疊，在交 疊處，它們展現相同的風景。m理論與之類似。m理論族中的不同理論可顯得非常不同，但它們都可認為是同一基本理論的一個方面。它們是基本理論在只適用於有限範圍的版本——例如在諸如能量的量的很小的範圍。正如麥卡脫投影中交 疊的地圖，在不同版本交 疊之處，它們預言相同的現象。然而，正如不存在很好地描繪整個地球表面的平坦地圖一樣，也不存在很好地描繪在一切情形下觀測的單獨理論。

我們將要描述m理論如何可能為創生問題提供答案。根據m理論，我們的宇宙不是僅有的宇宙。相反地，m理論預言，眾多的宇宙從無中創生。它們的創生不需要某種超自然的存在或上帝的干預。毋寧說，這些多重宇宙從物理定律自然地發生。它們是科學的預言。每個宇宙在後來，也就是說，在象現在這個時刻，當它創生許久之後，具有許多可能的歷史和可能的狀態。這些狀態的大部分完全不像我們觀察到的宇宙，完全不適宜於任何生命形式的存在。只有非常少的可允許象我們這樣的生物存在。因而，我們的存在從這個大量集合中只選取出那些和我們存在相協調的宇宙。儘管在宇宙的尺度下，我們是弱小和微不足道的，然而這使我們在某種意義上成為萬物之靈。

為了最深入地理解宇宙，我們不僅需要知道宇宙是怎樣行為的，還需要知道為什麼。

為什麼存在實在之物，而非一無所有？

我們為何存在？

為什麼是這一族特殊的定律而非別的？

這是生命、宇宙和萬物的終極問題。我們將試圖在本書回答這個問題。不像在《銀河系漫遊指南》中給出的答案，我們的答案不會簡單地為「42」。

第三章 何為實在

幾年前，義大利蒙札市議會禁止寵物的主人把金魚養在彎曲的魚缸里。提案的負責人解釋此提案的部分理由是，因為金魚向外凝視時會得到實在的歪曲景色，將金魚養在彎曲的缸里是殘酷的。然而，我們何以得知我們擁有真正的沒被歪曲的實在圖像？難道我們自己不也可能處於某個大魚缸之內，一個巨大的透鏡扭曲我們的美景？金魚的實在的圖像和我們的不同，然而我們能肯定它比我們的更不真實嗎？

金魚的實在圖像和我們自己的不同，但金魚仍然可以表述制約它們觀察到的在魚缸外面物體運動的科學定律。例如，由於變形，我們觀察到的在一根直線上運動的一個自由 物體會被金魚觀察成是沿著一根曲線運動。儘管如此，金魚可以從它們變形的參考系中表述科學定律，這些定律總是成立，而且使它們能預言魚缸外的物體的未來運動。它們的定律會比我們參考系中的定律更為複雜，但簡單性只不過是口味而已。如果一條金魚表述了這樣的一個理論，我們就只好承認金魚的風景是實在的一個正確的圖像。

托勒密(約公元85年——約公元165年)在公元150年左右提出一個描寫星體運動的模型，這是一個實在的不同圖像的著名例子。托勒密的研究發表在十三冊的一部論文中，這部論文通常以阿拉伯文題目《天文學大成》而眾所周知。《天文學大成》從解釋為何認為地球是一個球形的靜止的位於宇宙中心，並與星空的距離相比是小到可以忽略開始。雖然阿利斯塔克提出日心模型，但至少自亞里士多德時代開始，大多數希臘有教養的人都持有這些信仰，亞里士多德由於神秘的原因相信地球應該是位於宇宙的中心。在托勒密模型中，地球靜止地位於中心，行星和恆星在非常複雜的軌道上圍繞著它運行，這些軌道牽涉到周轉圓，正如輪子上的輪子。

由於我們沒覺得腳下的地球在運動(除了地震或者激情澎湃的時刻)，這個模型似乎是自然的。後來的歐洲學術是基於傳承下來的希臘之源，於是亞里士多德和托勒密的觀念就成為多數西方思想的基礎。天主教會採用托勒密的宇宙模型當作正式教義達十四世紀之久。直至1543年，哥白尼才在他的著作《天旋論》中提出一個另外的模型。雖然他已花了幾十年來研究此理論，該書在他逝世那年才出版。

正如大約早十七世紀的阿利斯塔克，哥白尼描寫其中太陽處於靜止，而行星以圓周軌道圍繞著它運轉的一個世界。儘管這個思想並不新，其復活卻遭到激烈的抵制。哥白尼模型被認為和聖經相抵觸，儘管聖經從未清楚地說明，但被解說成行星圍繞著地球運動。事實上，在撰寫聖經的時代，人們相信地球是平坦的。哥白尼模型引起關於地球是否靜止不動的狂烈辯論。這個辯論於1633年因伽利略受到異端審判而達到高峰。他的罪名是提倡哥白尼模型並認為「在一種信念被宣布並確定為與聖經衝突之後，人們仍然可以把它當作可能的信念予以堅持並捍衛。」他被裁決有罪，判為終身軟禁，並被迫宣布放棄原先的信仰。據說他低聲嘀咕道：「可是它仍在運動。」1992年，羅馬天主教廷終於承認譴責伽利略是錯誤的。

那麼，托勒密系統或哥白尼系統，哪個是真實的？儘管人們時常說哥白尼證明了托勒密是錯的，但那不是真的。正如在我們的正常觀點和金魚的觀點相比較的情形，人們可以利用任一種圖象作為宇宙的模型，對於我們天空之觀測，既可從假定地球處於靜止，也可從假定太陽處於靜止得到解釋。儘管哥白尼系統在有關我們宇宙本性的哲學辯論中的作用很大，然而它的真正優勢是在太陽處於靜止的坐標系中運動方程要簡單得多。

在科幻影片《黑客帝國》(matrix)中發生了不同類型的另外實在。影片中的人類不知不覺地生活在由智慧電腦製造的模擬實在之中，當電腦將他們的生物電能(不管為何物)吸吮時，使他們保持平靜而滿意。這也許沒那麼牽強，因為許多人寧願在網路的虛擬實在中消磨時日，例如「第二人生」。我們何以得知，我們不僅是一部電腦製作的肥皂劇中的角色呢？如果我們生活在合成虛世界中，事件就不必具有任何邏輯或一致性或服從任何定律。進行操控的外星人也許在看到我們反應時會覺得更有趣更開心，例如，如果滿月分開兩半，或者在這世界上每個節食的人顯示對香蕉奶油餅的毫不節制的渴望。但是如果外星人實施一致的定律，我們就無法得知在這模擬的實在背後還有另一個實在。將外星人生活的世界稱作「真的」，而把合成世界當作「假的」是很容易的事情。但是如果——正如我們這樣——在模擬世界中的生物不能從外面注視到他們的宇宙之中，他們就沒有理由懷疑他們自己的實在圖像。這是我們都是他人夢中的想像物的觀念的現代版本。

從這些例子，我們可得到對本書非常重要的結論：不存在與圖象或理論無關的實在性概念。相反地，我們將要採用將其稱為依賴模型的現實主義觀點：一個物理理論和世界圖像是一個模型(通常具有數學性質)以及一組將這個模型的元素和觀測連接的規則的思想。這提供了一個用以解釋現代科學的框架。

從柏拉圖以來的哲學家長期以來爭議實在的性質。經典科學是基於這樣的信念，存在一個真實的外部世界，其性質是確定的，並與感知它們的觀察者無關。根據經典科學，某些物體存在並擁有諸如速率和質量等物理性質，它們具有明確定義的值。在這種觀點裡，我們理論是試圖去描述那些物體及其性質，並且將我們的測量和感覺與之對應。無論是觀察者還是觀察對象都是具有客觀存在的世界的部分，它們之間任何區別都是無意義的。換言之，如果你看到一群斑馬在停車場爭奪一塊地方，那是因為真的有一群斑馬在停車場爭奪那個地方。所有其他正在看的觀察者都會測量到同樣的性質，而且不管是否有人在看這群斑馬，它們都具有那些性質。在哲學中，這一信仰稱為現實主義。

雖然現實主義也許是誘人的觀點，正如我們將在下面看到的，我們有關現代物理的知識使得要為它辯護變得非常困難。例如，根據精確描述自然的量子物理原理，除非並且直到一個粒子的位置或速度被一位觀察者測量，這個粒子既不擁有明確的位置也不擁有明確的速度。因此，說測量之所以給出一定的結果，是因為被測量的量在測量的時刻具有那個值是不正確的。事實上，在某種情形下，單獨的物體甚至並沒有獨立的存在，而僅作為眾多的系綜的部分而存在。而且如果一種稱為全息原理的理論被證明是正確的，我們以及我們的四維世界可能是一個更大的五維時空在邊界上的影子。在那種情形下，我們在宇宙中的狀況類似於金魚的狀況。

徹底的現實主義者經常論證道，科學理論描繪實在的證明在於它們的成功。但不同理論可以通過全異的概念框架成功地描述同樣的現象。事實上，許多已被證明成功的理論後來被其它基於全新的實在性概念之上的同等成功的理論所取代。

在傳統上，那些不接受現實主義的人被稱為反現實主義者。反現實主義者相信經驗知識和理論知識相互不同。他們一向論爭道，觀察和實驗是有意義的，但是理論只不過是有用的工具，並不體現任何作為被觀察現象的基礎的更深刻真理。一些反現實主義者甚至要將科學限制於可被觀察的東西。因為這個原因，十九世紀時的許多人基於我們永遠看不見原子而拒絕原子的概念。喬治·貝克萊(1685—1753)甚至走至如此地步，他斷言除了精神及其思想，沒有任何東西存在。當英國作家兼辭典編篡人薩繆爾·約翰孫博士的一位朋友對他說起不可能反駁貝克萊的聲明時，據說約翰孫的反應是，走近一塊大石頭，踢它並宣布,「我如此反駁他。」當然，約翰孫感覺的腳痛也還是他頭腦中的一個思想，所以他還未真正駁斥貝克萊的觀念。但其行為確實解釋了哲學家大衛·休謨(1711—1776)的觀點。後者寫過，儘管我們沒有合理的理由信仰一個客觀的實在，我們也別無選擇，只好裝作彷彿它真是那樣的。

依賴模型的現實主義使現實主義和反現實主義的思想學派之間所有這類爭議變得毫無意義。按照依賴模型的現實主義，去問一個模型是否真實是無意義的，只有是否與觀測相符才有意義。如果存在兩個都和觀測相符的模型，正如金魚的圖像和我們的圖像，那麼人們不能講這一個比另一個更真實。在所考慮的情形下，哪個更方便就用哪個。例如，如果一個人處於金魚缸內，那麼金魚圖像會是有用的，但對外界的人們而言，那麼在地球魚缸的參照系裡去描述從遠處星系來的事件就會非常笨拙，尤其是因為魚缸隨著地球圍繞太陽公轉並圍繞著自己的軸自轉而在運動。

我們在科學中製造模型，然而我們日常生活也製造模型。依賴模型的現實主義不僅適用於科學模型，還適用於我們所有人為了解釋並理解日常世界而創造的有意識和下意識的心理模型。沒辦法將觀察者——我們——從我們對世界的認識中排除，認識是通過感覺過程以及通過思維和推理方式產生的。我們的認識——而因此我們理論以其為基礎的觀測——不是直接的，而是由一種類似透鏡之物——我們人腦的解釋結構而塑造的。

依賴模型的現實主義對應於我們感覺對象的方式。在視覺中，人們大腦從視覺神經接受一系列信號。那些信號並不構成你會從電視接受的那類圖像。在視覺神經連接視網膜之處有一盲點，還有你的視場具有高解析度的部分僅處於視網膜中心周圍大約一度的狹窄視角，這個範圍的角度和你伸出手臂時大拇指的寬度一樣。如此送入你頭腦的未加工的數據就像有個洞的模樣般古怪的圖像。幸運的是，人腦處理那個數據，將兩隻眼睛的輸入結合在一起，假定鄰近位置的視覺性質類似，再填滿縫隙並應用插入技術。此外，大腦從視網膜讀到二維的數據排列並由它創生三維空間的印象。換言之，大腦建立心理圖像或模型。

在建立模型方面，大腦是如此稱職，如果人們配上一種上下顛倒其眼中之像的眼鏡，他們的大腦在一段時間後就會改變模型，使之再次看到在正確方向的東西。如果之後摘下眼鏡，在一段時間內，他們看世界是上下顛倒的，然後會再次適應。這表明，當一個人說「我看到一把椅子」時，他的意思僅僅是他利用椅子散射來的光建立一個椅子的心理圖像或模型。如果模型上下顛倒，在他坐到椅子上去之前，幸運的是，其腦子改正了那個模型。

依賴模型的現實主義解決或至少避免的另一個問題是存在的意義。如果我走出房間而看不見桌子，我何以得知那桌子仍然存在呢？那麼說我們看不見的東西，諸如電子或據說是構成質子和中子的叫夸克的粒子存在是什麼意思呢？人們可以擁有模型，在該模型中，當我離開時桌子消失了，而當我返回時，桌子又在同一位置出現了，然而那會是笨拙的。而如果我在外面時發生了某些事情，比如講天花板落下怎麼辦呢？在我離開房間時桌子消失的模型下，我能夠解釋下回我進入時在天花板碎片之下損毀的桌子重現的事實嗎？桌子留在原地不動的模型簡單得多，並與觀測相符。那就是人們能問的一切。

在我們看不見的次原子粒子的情形下，電子是一個有用的模型，它能解釋象在一個雲霧室中的軌跡和電視顯像管上的光點，還有許多其它現象。據說1897年英國物理學家j·湯姆遜在劍橋大學的卡文迪許實驗室發現了電子。他是利用在真空玻璃管中的電流來做稱為陰極射線現象的實驗。從實驗里，他獲得一個大膽的結論，神秘的射線由微小的「微粒」構成，這種微粒是原子的物質部分，那時原子被認為是物質的不可分的基元。湯姆遜沒有看到「電子」，他的實驗也沒有直接或清晰地證明他的預測。但在從基礎科學到工程的應用中這個模型證明是關鍵的，而現在所有的物理學家都確信電子存在，即便看不到它。

我們也看不見夸克，它是解釋原子核中的質子和中子性質的一個模型。雖然說夸克構成質子和中子，因夸克之間的束縛力隨著分離而增大，因此孤立的自由 夸克不可能在自然中存在，所以我們永遠觀察不到夸克。相反地，它們永遠以三個一組(質子和中子)或者以夸克反夸克對(π介子)存在，而且它們正像由橡皮帶連接在一起似的。

自夸克模型首次提出之後的年代裡，人們一直在爭議，如果你永遠不能分離出一個夸克，說夸克真的存在是否有意義的問題。一些次次核粒子的不同結合構成了某些粒子的思想提供了一種編組原理，由此對其性質給予簡單而吸引人的解釋。但是，儘管物理學家已習慣於接受那些粒子，它們也只從有關其它粒子散射的數據中的統計的短促嘩嘩聲中推斷其存在。對許多科學家而言，將實在性賦予一個在原則上也許不能被觀測到的粒子是太過分了。然而，這麼多年來，隨著夸克模型導出愈加正確的預言，反對的聲音也隨之消退。某種擁有十七隻手臂，紅外眼以及習慣從耳朵吹出濃縮奶油的外星生物會進行與我們相同的實驗觀察，但不用夸克描述之，這是完全可能的。儘管如此，根據依賴模型的現實主義，夸克存在於一個和我們對次核子粒子如何行為的觀察一致的模型中。

依賴模型的現實主義能夠為討論諸如以下問題提供框架：如果世界是在有限的過去創生的，那麼在那之前發生了什麼？一位早期的基督教哲學家聖·奧古斯丁(354—430)說，其答案不是上帝正為問此類問題的人們準備地獄，而是時間是上帝創造的世界的一個性質，時間在創生之前不存在，他還相信創生發生於過去不那麼久的時刻。這是一個可能的模型。儘管在世界上存在化石和其它證據使之顯得古老的多，(它們被放在那裡是用來愚弄我們的嗎？)那些堅持創世紀中的敘述確實是真的人很喜歡這個模型。人們還能擁有一個不同的模型，在這模型中時間往回延續137億年到達大爆炸。該模型解釋了包括歷史和地學的證據在內的大部分我們的現代觀測，它是我們擁有的對過去的最好描繪。第二種模型能解釋化石和放射性記錄，以及我們接受來自距離我們幾百萬光年的星系來的光的事實。因此，這個模型——大爆炸理論——比第一個更有用。儘管如此，沒有一個模型可以說比另一個更真實。

有些人支持時間能回到甚至比大爆炸還早的模型。目前還不清楚其中時間延續回到比大爆炸還早的模型是否能更好地解釋現代的觀測，因為宇宙演化的定律似乎在大爆炸處崩潰。如果出現這種現象，那麼去創造一個包含早於大爆炸的時間的模型就沒有意義，因為那時存在的東西對於現在沒有可觀測的後果，如此我們也可以堅持大爆炸是世界的創生的觀念。

一個模型是個好模型，如果

1.它是優雅的。

2.它包含很少任意或者可調整的元素。

3.它和全部已有的觀測一致並能解釋。

4.它對將來的觀測做詳細的預言，如果這些預言不成立，觀測就能證偽這個模型。

例如，在亞里士多德的理論中，世界由土，氣，火和水四種元素構成，而且物體是為了滿足它們的目的而行為，這個理論是優雅的，並不包含可調節的元素。但在許多情形下，它並未做出確定的預言，而當它預言時，又並不總與觀測一致。這些預言中的一個是，因為物體的目的是下落，因此較重的物體應下落得較快。在伽利略之前似乎沒人想到過去驗證這個預言。傳說他從比薩斜塔上釋放重物來檢驗它。這故事可能是偽造的，但我們確知，他把不同的重物從一斜面上滾下，並且觀察到它們都以同樣速率獲得速度，這與亞里士多德的預言矛盾。

上面的標準顯然是主觀的。例如，優雅就不是容易測量的某種東西，但科學家們非常珍視它，因為自然定律是意味著把許多特殊情況經濟地壓縮成一個簡單公式。優雅是指理論的形式，但它與缺少可調整元素緊密相關，由於一個充滿了修補的因素的理論不很優雅。轉述愛因斯坦的話，一個理論應該儘可能簡單，但不能更簡單了。托勒密把周轉圓加到周轉圓上，或者甚至在其上再加周轉圓。雖然增加的複雜性可使模型更精確，可科學家不滿意一個被扭曲去迎合特有的一組觀測的模型，他們傾向於把它看成數據表，而非一個可能體現任何有用原理的理論。

在第五章里，我們將要看到，許多人認為描寫自然的基本粒子相互作用的「標準模型」不優雅。那個模型比托勒密的周轉圓成功得多。它在幾個新粒子被觀測到之前就預言其存在了，並於幾十年間以巨大的精確性描述了極多實驗的結果。但它包含了幾十個可調節的參數，其數值必須為了配合觀測而被固定下來，而不是由理論本身所確定的。

關於第四點，當新的令人震驚的預言被證明正確時，總給科學家留下深刻印象。另一方面，當一個模型發現做不到這一點，一種普遍反應是說實驗錯了。如果證明不是那種情形，人們經常仍然不拋棄這個模型，而試圖通過修正來挽救它。儘管物理學家執著地努力拯救他們讚美的理論，隨著改動變得做作而且繁瑣，理論因此而變得「不優雅」，人們修正理論的熱情也就消退了。

如果容納新的觀測所需的修正過分雕琢，這就標誌需要新模型。穩態宇宙的觀念是老模型迫於新觀測而撤退的一個例子。1920年代，多數科學家相信宇宙是靜止的，或者在尺度上不變。後來埃德溫 ·哈勃於1929年發表了他的觀測，顯示宇宙正在膨脹。哈勃觀察到由星系發射出的光，但並未直接觀察到宇宙在膨脹。那些光攜帶特徵記號，或曰基於每個星系成分的光譜。如果星系相對於我們運動，光譜就會改變一個已知的量。因此，哈勃由分析遠處星系的光譜能夠確定它們的速度。他原先預料會找到離開我們運動的星係數目與靠近我們運動的星系一樣多。相反地，他發現幾乎所有的星系都離開我們運動，而且處在越遠的地方，它們就越快地運動。哈勃得出結論，宇宙正在膨脹。但其他人堅持早先的模型，試圖在穩態宇宙的框架中解釋他的觀測。例如，加州理工學院的物理學家弗里茨·茲威基建議，也許因某些還未知的原因當光線穿越巨大距離時慢慢地損失能量。這種能量減小會對應於光譜的改變。茲威基提議的這種改變能夠模擬哈勃的觀測。在哈勃之後的幾十年間，許多科學家繼續堅持穩態理論，但最自然的模型是哈勃的膨脹宇宙模型，而它已被接受。

在尋求制約宇宙的定律的探索之際，我們表述了許多理論或模型，諸如四元素理論，托勒密模型，熱素理論，大爆炸模型等。我們的實在和宇宙的基本成分的概念伴隨著每個理論或模型而改變。例如，考慮光的理論。牛頓認為光是由小粒子或微粒構成。這就解釋了為什麼光會沿直線旅行，而且牛頓利用它來解釋當光從一個媒質進入另一個媒質時，比如從空氣進入玻璃或者從空氣進入水時，它為什麼彎折或折射。

然而，微粒論不能用來解釋牛頓自己觀察到的稱作牛頓環的現象。把一個透鏡置於一面平坦的反射板上，並用單色光諸如鈉光對其照射。從上往下看，人們將看到一系列明暗相間的圓環，它們以透鏡和表面接觸點為圓心。用光的粒子論來解釋這個現象很困難，但在波動論中就能得到解釋。根據光的波動論，那被稱作干涉的現象導致亮環和暗環。一個波，比如水波，是由一系列波峰和波谷組成。當波碰撞時，如果那些波峰和波谷剛好分別一致，它們就互相加強，獲得更大的波。這稱為建設性干涉。在這種情形下，波被稱為處於「同相」。在另一種極端，當波相遇時，一個波的波峰可能剛好與另一個波的波谷重合。在那種情形下，波相互對消，被稱為處於「反相」。這種情形稱為破壞性干涉。

在牛頓環中，亮環位於離開中心的距離為該處透鏡和反射板之間的分離使得從透鏡反射的波和板上反射的波相差整數(1，2，3，……)倍的波長，產生了建設性干涉。(波長是一個波的波峰或波谷和下一個之間的距離)。另一方面，暗環位於離開中心的距離為該處的兩個反射波之間相差半整數(1/2，3/2，5/2，……)倍的波長，引起破壞性干涉——從透鏡反射的波抵消了從平板反射回來的波。

在十九世紀，這個被用來確認光的波動論，還證明了粒子論是錯誤的。然而，在二十世紀早期，愛因斯坦證明，用光粒子或量子打到原子上並打出電子可解釋光電效應(現在用於電視和數碼相機中)。這樣，光既作為粒子又作為波來行為。

波的概念深入人心，或許是因為人們見過海洋，或者見過把一塊小圓石扔進後的小池塘。事實上，如果你曾將兩塊小圓石扔進小池，你也許看到了干涉作用，正如在前面圖畫中那樣。其它的液體也能觀察到類似的行為，也許除了酒以外，如果你喝得太多的話。從岩石，圓石和沙就很熟悉粒子的概念了。但這種波/粒對偶性——一個物體既可描述成粒子也可描述成波的思想——對於日常經驗而言,卻猶如你能喝下一塊沙岩的想法那麼怪異。

類似這樣的對偶性——兩個非常不同的理論精確地描述了同樣的現象的情形——和依賴模型的現實主義相一致。每個理論能描述並解釋某些性質，而沒有一個理論能說比其它的更好或更真實。考慮制約宇宙的定律，我們所能說的是：似乎不存在一個單獨的數學模型或理論能夠描述宇宙的方方面面。相反地，正如開篇提到，似乎存在一個稱作m理論的理論網路。在m理論網路中，每個理論都能很好地描述在一定範圍的現象。只要在其範圍交 疊之處，在網路中的不同理論都一致，這樣它們都能被稱作同樣理論的部分。但在這網路中沒有一個單獨的理論可能描述宇宙的各個方面——自然的所有的力，感受到那些力的粒子，以及這一切在其中發生的空間和時間框架。儘管這種情形未實現傳統物理學家的單獨統一理論之夢，然而在依賴模型的現實主義的框架中是可被接受的。

我們將在第五章進一步討論對偶性和m理論，但在這之前，我們將轉向量子論，它是作為我們現代自然觀基礎的基本原理。我們特別要關注稱作不同歷史的量子論方法。按照那種觀點，宇宙不僅具有單獨的存在或歷史，而是每種可能的宇宙版本在稱作量子疊加之中同時存在。這聽起來就象只要你離開房間桌子就會消失的理論般的瘋狂，然而在此情形下，該理論通過了它所經受的所有實驗的驗證。

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