第一章　我們的宇宙圖象

一位著名的科學(xué)家（據(jù)說(shuō)是貝特蘭·羅素）曾經(jīng)作過(guò)一次天文學(xué)講演。他描述了地球如何圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而太陽(yáng)又是如何圍繞著稱之為我們星系的巨大的恒星集團(tuán)的中心公轉(zhuǎn)。演講結(jié)束之際，坐在房間后排的一位小個(gè)老婦人起立說(shuō)道：“你講的是一派胡言。實(shí)際上，世界是馱在一只巨大烏龜背上的平板。”這位科學(xué)家露出高傲的微笑，然后答道：“那么這只烏龜是站在什么上面的呢？”“你很聰明，年輕人，的確很聰明，”老婦人說(shuō)，“不過(guò)，這是一只馱著一只，一直馱下去的烏龜塔啊！”

大多數(shù)人會(huì)覺得，把我們的宇宙喻為一個(gè)無(wú)限的烏龜塔相當(dāng)荒謬。但是我們憑什么就自認(rèn)為知道得更好呢？我們對(duì)宇宙了解了多少？而我們又是如何知道的呢？宇宙從何而來(lái)，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在開端之前發(fā)生了什么？時(shí)間的本質(zhì)是什么？它會(huì)有一個(gè)終結(jié)嗎？物理學(xué)中最近的突破，使我們有可能為其中一些長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決的問(wèn)題提供答案，而奇妙的新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些突破的部分原因。對(duì)我們而言，這些答案也許有朝一日會(huì)變得和地球圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)那么顯而易見——或許也會(huì)變得和烏龜塔一樣荒謬，只有時(shí)間（不管其含義如何）才能裁決。

早在公元前340年，希臘哲學(xué)家亞里士多德在他的《論天》一書中，就能夠?qū)τ诘厍蚴且粋€(gè)圓球而不是一塊平板這個(gè)信念提出兩個(gè)有力的論證。第一，他意識(shí)到，月食是由于地球運(yùn)行到太陽(yáng)與月亮之間引起的。地球在月亮上的影子總是圓的，這只有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤，除非月食總是發(fā)生在太陽(yáng)正好位于這個(gè)圓盤中心的正下方的時(shí)刻，否則地球的影子就會(huì)被拉長(zhǎng)而成為橢圓形。第二，希臘人從旅行中知道，在南方觀測(cè)北極星，比在較北地區(qū)，北極星在天空中顯得較低。（由于北極星位于北極的正上方，所以它出現(xiàn)在北極的觀察者的頭頂上，而對(duì)于赤道上的某觀察者，北極星剛好出現(xiàn)在地平線上：圖1.1。）

根據(jù)北極星在埃及和在希臘表觀位置的差別，亞里士多德甚至估計(jì)出地球大圓長(zhǎng)度為400000斯特迪亞。現(xiàn)在還不能準(zhǔn)確地知道，1斯特迪亞的長(zhǎng)度究竟是多少，但也許是200碼（1碼=0.9144米）左右，這樣就使得亞里士多德的估計(jì)大約為現(xiàn)在接受數(shù)值的2倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個(gè)論證，否則何以從地平線駛來(lái)的船總是先露出船帆，然后才露出船身？

亞里士多德認(rèn)為地球是不動(dòng)的，太陽(yáng)、月亮、行星和恒星都以圓周為軌道圍繞著地球公轉(zhuǎn)。他相信這些，是因?yàn)樗J(rèn)為地球是宇宙的中心，而圓周運(yùn)動(dòng)是最完美的；他的這種看法是基于某些神秘的原因。公元2世紀(jì)，這個(gè)思想被托勒密精制成一個(gè)完整的宇宙學(xué)模型。地球處于正中心，8個(gè)天球包圍著它，這8個(gè)天球分別負(fù)載著月亮、太陽(yáng)、恒星和5個(gè)當(dāng)時(shí)已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星（圖1.2）。為了說(shuō)明在天空中觀察到的這些行星的相當(dāng)復(fù)雜的軌道，人們認(rèn)為它們本身沿著附在相應(yīng)天球上的更小的圓周運(yùn)動(dòng)。最外層的天球攜帶著所謂的固定恒星，它們的相對(duì)位置總是保持不變，但是總體圍繞著天空旋轉(zhuǎn)。最后一層天球之外為何物一直不很清楚，但是它肯定不是人類所能觀測(cè)到的宇宙部分。

托勒密模型的系統(tǒng)可以相當(dāng)精密地預(yù)言天體在天空中的位置。但是為了正確地預(yù)言這些位置，托勒密不得不假定，月亮遵循的軌道有時(shí)使它離地球的距離是其他時(shí)候的一半。這意味著月亮有時(shí)顯得要比其他時(shí)候大1倍！托勒密承認(rèn)這個(gè)瑕疵，但是盡管如此，他的模型被廣泛地，雖然不是普適地接受。它被基督教會(huì)接納為與《圣經(jīng)》相一致的宇宙圖象。這是因?yàn)樗哂芯薮髢?yōu)勢(shì)，即在固定恒星天球之外為天堂和地獄留下了大量的空間。

然而，1514年波蘭教士尼古拉·哥白尼提出了一個(gè)更簡(jiǎn)單的模型。（起初，也許哥白尼害怕被教會(huì)譴責(zé)為異端，所以將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽(yáng)靜止地位于中心，而地球和行星們圍繞著太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)（圖1.3）。將近一個(gè)世紀(jì)以后，人們才認(rèn)真接受他的觀念。后來(lái)，兩位天文學(xué)家——德國(guó)人約翰斯·開普勒和意大利人伽利略·伽利雷開始公開支持哥白尼理論，盡管它所預(yù)言的軌道還不能完全與觀測(cè)相符合。直到1609年，亞里士多德和托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)夜空。當(dāng)他觀測(cè)木星時(shí)，發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)小衛(wèi)星或月亮圍繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)，這表明不像亞里士多德和托勒密設(shè)想的那樣，并非所有東西都必須直接地圍繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)（當(dāng)然，仍然可能相信地球是靜止地處于宇宙的中心，而木星的衛(wèi)星沿著一種極其復(fù)雜的軌道圍繞地球運(yùn)動(dòng)，表觀上看來(lái)它們是圍繞著木星轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，哥白尼理論卻簡(jiǎn)單得多了）。同時(shí)，約翰斯·開普勒修正了哥白尼理論，提出行星不是沿著圓周而是沿著橢圓（橢圓是拉長(zhǎng)的圓）運(yùn)動(dòng)，從而最終使預(yù)言和觀察相互一致了。

就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當(dāng)然的，并且是相當(dāng)討厭的假設(shè)，因?yàn)闄E圓顯然不如正圓那么完美。雖然他幾乎偶然地發(fā)現(xiàn)橢圓軌道能很好地和觀測(cè)相符合，但卻不能把它和他的磁力引起行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的思想相互調(diào)和起來(lái)。只有到更晚得多的1687年，這一切才得到解釋。這一年，艾薩克·牛頓爵士出版了他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，這部也許是物理科學(xué)中有史以來(lái)最重要的著作。在這部著作中，牛頓不但提出物體如何在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)的理論，并且發(fā)展了為分析這些運(yùn)動(dòng)所需的復(fù)雜的數(shù)學(xué)。此外，牛頓還提出了萬(wàn)有引力定律。根據(jù)這條定律，宇宙中的任一物體都被另外的物體吸引。物體質(zhì)量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。正是這同一種力，使物體下落到地面。（一個(gè)蘋果落到牛頓的頭上使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。牛頓自己說(shuō)過(guò)的不過(guò)是，當(dāng)他坐著陷入沉思之時(shí)，一個(gè)蘋果的下落使他得到了萬(wàn)有引力的思想。）牛頓繼而證明，根據(jù)他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道圍繞著地球運(yùn)行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。

哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關(guān)的宇宙存在著自然邊界的觀念。“固定恒星”除了由于地球圍繞著自身的軸自轉(zhuǎn)引起的穿越天空的轉(zhuǎn)動(dòng)外，它們的位置顯得固定不變，很自然會(huì)使人推測(cè)到固定恒星是和我們太陽(yáng)類似的樹體，只是比太陽(yáng)離開我們遠(yuǎn)得多了。

按照他的引力理論，牛頓意識(shí)到恒星應(yīng)該相互吸引，這樣它們似乎不能保持基本上不動(dòng)。難道它們不會(huì)都一起落到某處去嗎？在1691年寫給同時(shí)代另一位最重要的思想家理查德·本特里的一封信中，牛頓論證道，如果只有有限數(shù)目的恒星分布在一個(gè)有限的空間區(qū)域里，這確實(shí)是會(huì)發(fā)生的。但是另一方面，他推斷說(shuō)，如果存在無(wú)限數(shù)目的恒星，大體均勻地分布于無(wú)限的空間中，對(duì)它們而言，因?yàn)檫@時(shí)不存在一個(gè)中心落點(diǎn)，這種情形就不會(huì)發(fā)生。

當(dāng)人們議論到無(wú)限時(shí)，這種論證是你會(huì)遭遇到的一種陷阱。在一個(gè)無(wú)限的宇宙中，因?yàn)樵诿恳稽c(diǎn)的兩邊都有無(wú)限顆恒星，所以每一點(diǎn)都可以認(rèn)為是中心。很久以后才意識(shí)到正確的方法，即是先考慮有限的情形，這時(shí)所有恒星都相互落到一起，然后加上在這個(gè)區(qū)域以外大體均勻分布的更多恒星，看事情會(huì)如何改變。按照牛頓定律，平均地講，這額外的恒星對(duì)原先的那些根本沒有什么影響，所以這些恒星還是同樣快地落到一起。我們?cè)敢饧由隙嗌俸阈蔷涂梢约由隙嗌伲撬鼈內(nèi)匀豢偸窍蜃陨硖s。現(xiàn)在我們知道，不可能存在一個(gè)無(wú)限靜態(tài)的引力總是吸引的宇宙模型。

在20世紀(jì)之前從未有人提出過(guò)，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當(dāng)時(shí)的思維風(fēng)氣。一般認(rèn)為，宇宙要么以一種不變的狀態(tài)存在了無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，要么以多多少少正如我們今天觀察到的樣子在有限久的過(guò)去創(chuàng)生。其部分的原因可能是，人們傾向于相信永恒的真理，也可能由于從以下的觀念可以得到安慰，即雖然他們會(huì)生老病死，但是宇宙必須是不朽的不變的。

甚至那些意識(shí)到牛頓的引力理論導(dǎo)致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能正在膨脹。相反，他們?cè)噲D修正理論，使引力在非常大距離下變成排斥的。這并沒有太大影響他們對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的預(yù)言，然而卻允許恒星的無(wú)限分布保持平衡狀態(tài)——鄰近恒星之間的吸引力被遠(yuǎn)距離外的恒星來(lái)的斥力平衡。然而，現(xiàn)在我們相信，這樣的平衡是不穩(wěn)定的：如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微相互靠近一些，它們之間的引力就會(huì)增強(qiáng)，并超過(guò)斥力的作用，因此這些恒星就會(huì)繼續(xù)落到一起。反之，如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微相互遠(yuǎn)離一些，斥力就起主導(dǎo)作用，并驅(qū)使它們離得更遠(yuǎn)。

另一個(gè)反對(duì)無(wú)限靜止宇宙的異見通常歸功于德國(guó)哲學(xué)家亨利希·奧勃斯，他在1823年撰寫了這個(gè)理論。事實(shí)上，牛頓的一些同時(shí)代人已經(jīng)提出過(guò)這個(gè)問(wèn)題，甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這個(gè)模型的第一篇。不管怎么說(shuō)，這是第一篇被廣泛關(guān)注的文章。其困難在于，在一個(gè)無(wú)限靜止的宇宙中，幾乎每一道視線必須終結(jié)于某一顆恒星的表面（圖1.4）。這樣，人們可以預(yù)料，整個(gè)天空甚至在夜晚都會(huì)像太陽(yáng)那么明亮。奧勃斯反駁說(shuō)，遠(yuǎn)處恒星的光線會(huì)被它穿越過(guò)的物質(zhì)吸收而減弱。然而如果真是如此，這介于其間的物質(zhì)最終會(huì)被加熱到發(fā)出和恒星一樣強(qiáng)的光為止。可以避免整個(gè)天空像太陽(yáng)那么明亮的結(jié)論的唯一方法是，假定恒星并非永遠(yuǎn)那么明亮，而是在有限久的過(guò)去才開始發(fā)光。在這種情況下，吸光物質(zhì)還沒加熱，或者遠(yuǎn)處恒星的光線尚未到達(dá)我們這里。這就使我們面臨著什么是首次引起恒星發(fā)光的問(wèn)題。

當(dāng)然，宇宙開端的問(wèn)題比這早很久就被討論過(guò)。根據(jù)一些早先的宇宙論和猶太教/基督教/穆斯林傳統(tǒng)，宇宙在有限的并非非常遙遠(yuǎn)的過(guò)去的某個(gè)時(shí)刻啟始。對(duì)于這樣的一個(gè)開端，有一種論證是感到必須有“第一推動(dòng)”來(lái)解釋宇宙的存在。（在宇宙中，你總可以將一個(gè)事件解釋為由另一個(gè)更早的事件引起的，但是只有當(dāng)宇宙存在某個(gè)開端時(shí)，才能用這種方法解釋它本身的存在。）圣·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出了另一種論證。他指出，文明在進(jìn)步，我們將記住創(chuàng)造這些功績(jī)或發(fā)展技術(shù)的人們。這樣，人也許還有宇宙，不可能已經(jīng)存在了那么長(zhǎng)的時(shí)間。圣·奧古斯丁根據(jù)《創(chuàng)世紀(jì)》一書，接受公元前5000年作為宇宙創(chuàng)生的時(shí)刻。（有趣的是，這和最近一個(gè)冰河時(shí)代的結(jié)束，大約公元前10000年相距不遠(yuǎn)。考古學(xué)家告訴我們，文明實(shí)際上正是從那時(shí)開始的。）

另一方面，亞里士多德和其他大多數(shù)希臘哲學(xué)家不喜歡創(chuàng)生的思想，因?yàn)樗鼛в刑嗟纳駥W(xué)干涉的味道，所以他們相信，人類及其周圍的世界已經(jīng)并將繼續(xù)永遠(yuǎn)存在。古人已經(jīng)考慮到上述文明進(jìn)步的論點(diǎn)，用周期性洪水或其他災(zāi)難的出現(xiàn)，使人類重復(fù)地回到文明的開初，來(lái)回答上面的詰難。

1781年，哲學(xué)家伊曼努爾·康德發(fā)表了里程碑般的（也是非常晦澀難懂的）著作《純粹理性批判》。在這本書中，他深入地考察了關(guān)于宇宙在時(shí)間上是否有開端、在空間上是否有限的問(wèn)題。他稱這些問(wèn)題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因?yàn)樗械酱嬖谕瑯恿钊诵欧恼摀?jù)，來(lái)證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經(jīng)存在無(wú)限久的反命題。他對(duì)正命題的論證是：如果宇宙沒有一個(gè)開端，則任何事件之前必有無(wú)限的時(shí)間。他認(rèn)為這是荒謬的。他對(duì)反命題的論證是：如果宇宙有一開端，在它之前必有無(wú)限的時(shí)間，為何宇宙必須在某一特定的時(shí)刻開始呢？事實(shí)上，他對(duì)正命題和反命題用同樣的論證來(lái)辯護(hù)。它們都是基于他隱含的假設(shè)，即不管宇宙是否存在了無(wú)限久。時(shí)間均可無(wú)限地倒溯回去。我們將會(huì)看到，在宇宙開端之前時(shí)間概念是沒有意義的。這一點(diǎn)是圣·奧古斯丁首先指出的。當(dāng)他被問(wèn)及：“上帝在他創(chuàng)造宇宙之前做什么？”奧古斯丁并沒有這樣回答：“他正為詰問(wèn)這類問(wèn)題的人準(zhǔn)備地獄。”而是說(shuō)時(shí)間是上帝創(chuàng)造的宇宙的一個(gè)性質(zhì)，在宇宙開端之前不存在。

當(dāng)大部分人深信一個(gè)本質(zhì)上靜止不變的宇宙時(shí)，關(guān)于它有無(wú)開端的問(wèn)題，實(shí)在是一個(gè)形而上學(xué)或神學(xué)的問(wèn)題。按照宇宙存在無(wú)限久的理論，或者按照宇宙以它似乎已經(jīng)存在了無(wú)限久的樣子在某一個(gè)有限時(shí)刻起始的理論，我們可以同樣好地解釋所觀察到的事實(shí)。但在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個(gè)里程碑式的觀測(cè)，即不管你往哪個(gè)方向觀測(cè)，遠(yuǎn)處的星系都正急速地飛離我們而去。換言之，宇宙正在膨脹（圖1.5）。這意味著，在早先的時(shí)刻星體更加相互靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以那時(shí)候宇宙的密度為無(wú)限大。這個(gè)發(fā)現(xiàn)最終將宇宙開端的問(wèn)題帶進(jìn)了科學(xué)的王國(guó)。

哈勃的觀測(cè)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙的尺度無(wú)限小，而且無(wú)限緊密。在這種條件下，所有科學(xué)定律并因此所有預(yù)見將來(lái)的能力都崩潰了。如果在這個(gè)時(shí)刻之前有過(guò)一些事件，它們將不可能影響現(xiàn)在發(fā)生的東西。因?yàn)樗鼈儧]有任何觀測(cè)的后果，所以可不理睬其存在。由于更早的時(shí)間根本沒有定義，所以在這個(gè)意義上，人們可以說(shuō)，時(shí)間在大爆炸時(shí)有一開端。必須強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)時(shí)間的開端和早先考慮的非常不同。在一個(gè)不變的宇宙中，時(shí)間的端點(diǎn)是必須由宇宙之外的存在物賦予的某種東西；宇宙的開端并沒有物理的必然性。人們可以想象上帝在過(guò)去從字面上說(shuō)的任何時(shí)刻創(chuàng)生了宇宙，如果宇宙正在膨脹，那么何以宇宙有一個(gè)開端似乎就有了物理的原因。人們?nèi)匀豢梢韵胂螅系凼窃诖蟊ǖ乃查g創(chuàng)生宇宙，或者甚至在更晚的時(shí)刻，以使它看起來(lái)就像發(fā)生過(guò)大爆炸似的方式創(chuàng)生，但是設(shè)想在大爆炸之前創(chuàng)生宇宙是沒有意義的。大爆炸宇宙并沒有排斥造物主，只不過(guò)對(duì)他何時(shí)從事這工作加上限制而已！

為了談?wù)撚钪娴男再|(zhì)和討論諸如它是否存在啟始或終結(jié)的問(wèn)題，你必須清楚什么是科學(xué)理論。我將采用素樸的觀點(diǎn)，即理論只不過(guò)是宇宙或它的受限制的部分的模型，以及一族把這模型中的量和我們做的觀測(cè)相聯(lián)系的規(guī)則。它只存在于我們的頭腦中，不再具有任何其他（不管在任何意義上）的實(shí)在性。一個(gè)好的理論必須滿足以下兩個(gè)要求：首先，這個(gè)理論必須能準(zhǔn)確地描述大量的觀測(cè)——這些觀測(cè)是根據(jù)只包含少數(shù)任選的元素的模型所做出的；其次，這個(gè)理論能對(duì)未來(lái)觀測(cè)的結(jié)果作出明確的預(yù)言。例如，亞里士多德相信恩貝多克利的關(guān)于任何東西是由四元素——土、氣、火和水組成的理論，該理論是足夠簡(jiǎn)單的了，但它沒有做出任何明確的預(yù)言。另一方面，牛頓的引力理論是基于甚至更為簡(jiǎn)單的模型，在此模型中兩物體用一種力相互吸引，該力和被稱為它們質(zhì)量的量成正比，并和它們之間的距離的平方成反比。然而，它以很高的精確性預(yù)言了太陽(yáng)、月亮和行星的運(yùn)動(dòng)。

在只是一個(gè)假設(shè)的意義上來(lái)講，任何物理理論總是臨時(shí)性的：你永遠(yuǎn)不可能證明它。不管多少回實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和某個(gè)理論相一致，你永遠(yuǎn)不可能斷定下一次結(jié)果不和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一個(gè)和理論預(yù)言不一致的觀測(cè)事實(shí)，即可證偽之。正如科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波普強(qiáng)調(diào)的，一個(gè)好的理論的特征是，它能給出許多在原則上可以被觀測(cè)否定或證偽的預(yù)言。每回觀察到與這預(yù)言相符的新的實(shí)驗(yàn)，則這理論就存活，并且增加了我們對(duì)它的信任度；然而若有一個(gè)新的觀測(cè)與之不符，則我們只得拋棄或修正這理論。

這被認(rèn)為是遲早總會(huì)發(fā)生的事，但是你總可以質(zhì)疑實(shí)現(xiàn)該觀測(cè)的人員的能力。

在現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常發(fā)生的是，設(shè)計(jì)出的新理論實(shí)際上是原先理論的一個(gè)擴(kuò)展。例如，非常精確地觀測(cè)水星，發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)和牛頓引力理論預(yù)言之間有一個(gè)微小的差異。愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了和牛頓理論略微不同的運(yùn)動(dòng)。愛因斯坦的預(yù)言和觀測(cè)到的相符合，而牛頓理論做不到，這個(gè)事實(shí)是對(duì)這個(gè)新理論的一個(gè)關(guān)鍵的證實(shí)。然而在我們正常處理的情形下，牛頓理論和廣義相對(duì)論的預(yù)言之間差異非常小，所以為了所有實(shí)用的目的，我們?nèi)匀皇褂门ｎD理論。（牛頓理論還有一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)，用它計(jì)算比用愛因斯坦理論簡(jiǎn)單多了！）

科學(xué)的終極目的是提供描述整個(gè)宇宙的單一理論然而，大多數(shù)科學(xué)家遵循的方法是把問(wèn)題分成兩部分。首先，存在一些定律，這些定律告訴我們宇宙如何隨時(shí)間變化。（如果我們知道在任一時(shí)刻宇宙是什么樣子的，這些定律就告訴我們它在未來(lái)任何時(shí)刻是什么樣子的。）第二，存在宇宙初始狀態(tài)的問(wèn)題。有些人覺得科學(xué)只應(yīng)關(guān)心第一部分，他們將初始狀態(tài)的問(wèn)題看做玄學(xué)或宗教的事體。他們會(huì)說(shuō)，無(wú)所不能的上帝可以隨心所欲地啟始宇宙。那也許是真的，但是，倘若那樣，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化，可是，似乎他選擇使宇宙以一種非常規(guī)則的，按照一定規(guī)律的方式演化。所以，看來(lái)可以同樣合理地假定，也存在著制約初始狀態(tài)的定律。

一蹴而就地設(shè)計(jì)一種能描述整個(gè)宇宙的理論，看來(lái)是非常困難的。相反，我們將這個(gè)問(wèn)題分成許多小塊，并發(fā)明許多部分理論（圖1.6）。每一部分理論描述和預(yù)言一定有限范圍的觀測(cè)，同時(shí)忽略其他量的效應(yīng)或用簡(jiǎn)單的一組數(shù)來(lái)代表。這方法可能全錯(cuò)。如果宇宙中的每一件東西都以非常基本的方式依賴于其他的任何一件東西，用隔離法研究問(wèn)題的部分也許不可能逼近其完全的答案。盡管如此，這肯定是我們?cè)谶^(guò)去取得進(jìn)展的方法。牛頓引力理論又是一個(gè)經(jīng)典的例子，它告訴我們兩個(gè)物體之間的引力只取決于與每個(gè)物體相關(guān)的一個(gè)數(shù)——-它的質(zhì)量，而與物體由何物組成無(wú)關(guān)。這樣，人們不需要太陽(yáng)和行星結(jié)構(gòu)和成分的理論就可以計(jì)算它們的軌道。

今天，科學(xué)家按照兩個(gè)基本的部分理論——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)來(lái)描述宇宙。它們是本世紀(jì)（即20世紀(jì)，下同一編者注）上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對(duì)論描述引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，也就是從只有幾英里直到大至1億億億（1后面跟24個(gè)0）英里（1英里=1.609千米），即可觀測(cè)到的宇宙的尺度的結(jié)構(gòu)。另一方面，量子力學(xué)處理極小尺度，例如萬(wàn)億分之1英寸（1英寸=2.54厘米）的現(xiàn)象。然而可惜的是，這兩個(gè)理論不是相互協(xié)調(diào)的——它們不可能都對(duì)。當(dāng)代物理學(xué)的一個(gè)主要的努力，以及本書的主題，即是尋求一個(gè)能將其合并在一起的新理論——量子引力論。我們還沒有這樣的理論，要獲得這個(gè)理論，我們可能還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，然而我們已經(jīng)知道了這個(gè)理論所應(yīng)具備的許多性質(zhì)。在以下幾章，人們將會(huì)看到，我們對(duì)量子引力論所應(yīng)有的預(yù)言已經(jīng)知道得相當(dāng)多。

現(xiàn)在，如果你相信宇宙不是任意的，而是被明確的定律制約的，你最終必須將這些部分理論合并成一個(gè)能描述宇宙中萬(wàn)物的完整統(tǒng)一理論。然而，在尋求這樣的完整統(tǒng)一理論中有一個(gè)基本的矛盾。在前面概括的關(guān)于科學(xué)理論的思想中，假定我們是理性的生物，既可以隨心所欲地觀測(cè)宇宙，又可以從觀察中得出邏輯推論。在這樣的方案里可以合理地假設(shè)，我們可以越來(lái)越接近制約我們宇宙的定律。然而，如果真有一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，則它大概也將決定我們的行動(dòng)。這樣，理論本身就決定了我們對(duì)之探索的結(jié)果！那么為什么它保證我們從證據(jù)得到正確的結(jié)論？難道它不也可以同樣地保證我們引出錯(cuò)誤的結(jié)論嗎？或者根本沒有結(jié)論？

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我所能給出的回答是基于達(dá)爾文的自然選擇原理。該思想說(shuō)，在任何自繁殖的群體中，總是存在著不同個(gè)體在遺傳物質(zhì)和發(fā)育上的變異。這些差異表明，某些個(gè)體比其他個(gè)體對(duì)它們周圍的世界更能引出正確的結(jié)論，并去適應(yīng)它。這些個(gè)體更可能存活、繁殖，因此它們的行為和思維的模式將越來(lái)越起主導(dǎo)作用。以下這一點(diǎn)在過(guò)去肯定是真的，即我們稱之為智慧和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的東西給我們帶來(lái)了存活的好處。這種情況是否仍會(huì)如此沒有這么清楚：我們的科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以輕易地毀滅我們的一切。即使不是這樣，一個(gè)完整的統(tǒng)一理論對(duì)于我們存活的機(jī)會(huì)不會(huì)有很大影響。然而，假定宇宙已經(jīng)以規(guī)則的方式演化至今，我們可以預(yù)期，自然選擇賦予我們的推理能力在探索完整統(tǒng)一理論時(shí)仍然有效，并因此不會(huì)導(dǎo)致我們得到錯(cuò)誤的結(jié)論。

因?yàn)椋俗顦O端的情況外，我們已有的部分理論足以對(duì)所有的一切作出精確的預(yù)言，所以，要為探索宇宙的終極理論尋找實(shí)用的理由，看來(lái)就非常困難了：（值得指出的是，雖然類似的論點(diǎn)在過(guò)去既可以用來(lái)反對(duì)相對(duì)論，又可以用來(lái)反對(duì)量子力學(xué)，但這些理論已給我們帶來(lái)了核能和微電子學(xué)的革命！）所以，發(fā)現(xiàn)一個(gè)完整的統(tǒng)一理論可能對(duì)我們種族的存活無(wú)助，甚至也不會(huì)影響我們的生活方式。然而自從文明開始以來(lái)，人們即不甘心于將事件看做互不相關(guān)不可理解。他們渴望理解世界的根本秩序。今天我們?nèi)匀回较胫溃覀優(yōu)楹卧诖耍课覀儚暮味鴣?lái)？人類求知的最深切的意愿足以為我們從事的不斷探索提供充足的理由。而我們的目標(biāo)恰恰正是對(duì)于我們生存其中的宇宙作出完整的描述。