大設計 - 第1章

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大設計

目錄

版權信息

譯者序

第一章

存在之謎

第二章

定律制約

第三章

何為實在

第四章

可擇歷史

第五章

萬物理論

第六章

選擇宇宙

第七章

表觀奇蹟

第八章

偉大設計

小辭典

感謝

史蒂芬·霍金的其他著作

時間簡史——從大爆炸到黑洞

時間簡史（普及版）

霍金講演錄（黑洞、嬰兒宇宙及其他）

時間簡史（插圖版）

果殼中的宇宙

童書

喬治的宇宙：秘密鑰匙（與露西·霍金合著）

喬治的宇宙：尋寶記（與露西·霍金合著）

喬治的宇宙：大爆炸（與露西·霍金合著）

列納德·蒙洛迪諾的其他著作

時間簡史（普及版）

醉漢的腳步：隨機性如何主宰我們的生活

歐幾里得的窗口：從平行線到超曲面的幾何故事

費恩曼的彩虹：在物理和生活中尋找美

童書

最後的恐龍（與馬修·科斯特洛合著）

泰坦尼克貓（與馬修·科斯特洛合著）

譯者序

《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。它凝結了作者自《時間簡史》出版之後20多年間，對科學和哲學的探索成果，以及對這些學科的未來展望。這本書是蒙洛迪諾協助完成的。

由於近現代科學尤其是量子論的發展，哲學界已不可能跟得上科學的腳步。當今不存在像康德、龐加萊和羅素這樣的人物。近30年前霍金提出了量子宇宙學的無中生有的場景，其後有識之士一直追問，為何是有非無？宇宙何以存在？我們何以存在？

人類花費了幾千年才從神話的朦朧走向理性的澄明。智慧生命逐漸意識到，宇宙整體及其萬物是由規律制約的。這種決定論的觀點似乎使自由意志無容身之處。幸虧對於極為複雜的系統，人們可以也必須採用有效模型。比如，心理學就是對於人體的有效模型，而自由意志可被鑲嵌其中，從此詩意棲居世間，情感撫慰人心，藝術之花綻放。

霍金認為實在不過是一套自洽的和觀測對應的圖景、模型或者理論。霍金將其稱為依賴模型的實在論。如果兩種圖景滿足同樣的條件，你就不能講哪種更實在些，你覺得哪種更方便就用哪種。如果沒有一種理論滿足這些條件，那麼宇宙就消失了。自在之物在這裡是多餘的。這樣，科學甚至數學研究既可看成發現，又可看成發明，由此澄清了許多研究者似非而是的迷惑。這種新觀點還使科學和哲學中的許多長期爭論的問題成為偽問題。

宇宙和萬物的演化不只經歷一個歷史，它們經歷所有可能的歷史。費恩曼的量子論的歷史求和表述與依賴模型的實在論相協調，而與舊實在論相牴觸。量子論只有在經典的近似範圍才和舊實在論協調。惠勒把這些觀點應用於宇宙尺度，於是因果的差異就消失了。過去和將來一樣不是被確定的。

人類從蒙昧走向文明是一部偉大的史詩：牛頓的經典力學、法拉第和麥克斯韋的電磁學、愛因斯坦的相對論、量子論、弱電理論、色動力學、大爆炸模型、無邊界設想、超引力、超弦，直至迄今終極理論的唯一候選者——M理論。M理論中的時空是十一維的，當其中七維蜷縮成內空間後，留下各種四維時空及其表觀定律。

M理論可以在無邊界宇宙的框架中預言眾多不同的宇宙及其表觀定律，但只有極少數適合我們的存在。在觀察者存在的條件下，尋求最大概率的無邊界解便得到我們宇宙的歷史。觀察者作為某種意義上的萬物之靈參與創造不僅將來的而且過去的歷史。

正是因為這樣，由我們的存在條件導出的結論和從表觀定律導出的相一致。宇宙似乎特別寵愛觀察者。這激起了斯賓諾莎、愛因斯坦和千千萬萬探索者的宇宙宗教情感。

宇宙中的凝聚物的能量被引力勢能平衡，所以宇宙的總能量為零，由此萬物不能無中生有，而宇宙卻能。真正的太初黑洞必須讓宇宙攜帶其同步才能創生。如果M理論最後被接受為終極理論，那我們就尋找到了大設計。

2006年夏天霍金第三次訪問中國，並於6月21日在北京舉行記者招待會。為了避免記者提問的無聊和空泛，我為之代擬問題，其中包括下面這一道。

問：「你能對宇宙和我們自身的存在作些評論嗎？」

答：「根據實證主義哲學，宇宙之所以存在是因為存在一個描述它的協調的理論。我們正在尋求這個理論。但願我們能找到它。因為沒有一個理論，宇宙就會消失。」

這恰巧是本書的主旨，本書正是對他回答的圓滿闡述。由此可見，他在本書表達的思想早在2006年夏天就已經相當清晰了。

我們似乎處於科學新變革的前夜，這個變革將和哲學的變革同時到來。

吳忠超

2010年8月26日杭州望湖樓

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都會為這些問題所困擾。

按照傳統，這是些哲學要回答的問題，但哲學死了。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，科學家已成為火炬手。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，物體沿着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確切位置。儘管對於日常的目的這種描述已是足夠成功，但在1920年代，人們發現，這種「經典」圖像不能解釋在原子和亞原子的存在尺度下觀察到的似乎奇異的行為，而必須採用一種稱為量子物理的不同的框架。結果發現在預言那種尺度的事件時，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乃是基於物理實在的非常不同的觀念之上。

「……而那是我的哲學。」

量子論可以用許多不同方式來表述，但是理查德·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，並在不遠處的脫衣舞廳作鼓手。按照費恩曼的說法，一個系統不僅具有一個歷史，而且具有每種可能的歷史。在尋求答案的時候，我們將仔細地解釋費恩曼的方法，並使用它來探討這種思想，即宇宙的本身並沒有單一的歷史，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一樣，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牴觸的概念之上。因此，實在的幼稚觀點和現代物理不相容。為了對付這樣的矛盾，我們將採用一種稱為依賴模型的實在論的方法。它是基於這樣的觀念，即我們的頭腦以構造某種世界模型來解釋來自感官的輸入。當這樣的模型成功地解釋事件時，我們就傾向於將實在性或絕對真理的品格賦予它，也賦予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；說得更確切點，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，我們發現了一系列越來越好的理論和模型。人們很自然地詢問：這個系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萬物終極理論的話，我們現在就已擁有了一個稱作M理論的候選者。M理論是擁有我們認為最後理論所應具備的所有性質的僅有模型，而在下面的討論中，我們將大量地以之為基礎的正是這個理論。

世界地圖

需用一系列相互交疊的理論去描述宇宙，正如需用相互交疊的地圖去描述地球一樣。

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，人們用一單張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，而且不覆蓋北南兩極。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。它們是基本理論的一些只適用於有限範圍的版本——例如在能量這樣的量的很小範圍。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一理論。

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。它們是科學所預言的。每個宇宙在後來，也就是說，在像現在這個時刻，即在它創生許久之後，具有許多可能的歷史和可能的狀態。這些狀態中的大多數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。只有非常少的一些可讓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的存在相協調的宇宙。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造物主。

為了最深入地理解宇宙，我們不僅需要知道宇宙是如何行為的，還需要知道為何。

為什麼存在實在之物，而非一無所有？

我們為什麼存在？

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。我們將試圖在本書中回答這個問題。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」。

第二章　定律制約

斯克爾狼將恐嚇月亮

直到它飛往憂戚之林；

海逖狼將追逐太陽，

它與瑞德威特尼爾沾親。

——《格里木尼爾之歌》，北歐史詩《埃達》舊版

在北歐神話里，斯克爾狼和海逖狼追逐太陽和月亮。當狼抓住任一個，就會出現日食或月食。當這發生之際，地球人就急忙儘量製造噪聲，希望將狼嚇跑以拯救太陽或月亮。在其他文化中也有類似的神話。但是過一段時間後，人們一定意識到了，不管他們是否四處大叫大鬧，太陽和月亮都會很快地從食中出現。過一段時間後，他們一定也注意到，日食和月食並非隨機地發生：它們以規則的自我重複的模式發生。這些模式對於月食而言是非常明顯的，儘管古代巴比倫人並未意識到月食是太陽光被地球遮擋所引起的，他們依然相當精確地預言月食。而因為日食只能在地球上大約30英里（1英里=1.609千米）寬的通道上看到，因而預言日食就更加困難。儘管如此，這模式一旦被理解，它就很清楚地表明日月之食並不歸因於超自然存在的一時興致，而是由定律制約的。

儘管我們的祖先在預言星體運動中取得了一些成功，他們卻不能預言自然中的大多數事件。火山、地震、風暴、瘟疫，長到肉里去的腳指甲，似乎所有這一切的發生都沒有明顯的原因或模式。古人很自然地將大自然的暴烈行為歸於一族頑皮或者惡毒的神祇。我們通常認為災難是人們不知怎麼觸犯了諸神的徵兆。例如，大約公元前5600年，俄勒岡的瑪扎瑪火山爆發，好多年岩石如雨點般下落，火山灰燒得通紅，引發多年落雨，最終水充滿了今天被稱作克雷特湖的火山口。俄勒岡的克拉瑪特印第安人的傳說與這一事件的每一個地學細節都相符合，只不過把一個人描繪成災難的原因使之增加了些許情趣。人們的自責心這麼重，總能找到方法去自咎。在那個傳奇中，地獄的首領勞迷戀上克拉瑪特首領美麗的女兒。她狂傲地拒絕了他，勞為了報復就以火來毀滅克拉瑪特。據說幸運的是，天堂首領蘇克爾憐憫人類，就和他的地獄對手作戰。勞終於受傷，後退至瑪扎瑪山中，身後留下一個巨大的洞，也就是最後充滿了水的火山口。