第1章
悖論

有這樣一個事實可能會構成一個奇妙的比喻：即使是最大的望遠鏡，其目鏡也不能大過人類的眼睛。

20世紀90年代末是宇宙學發現的黃金10年之巔峰。宇宙學，這門敢于在整體上研究宇宙起源、演化和命運的科學，長期以來一直被視為一個天馬行空的領域，但在這段時期終于成熟了。精密的衛星和地面儀器給出了引人注目的觀測結果，讓全世界的科學家都興奮不已。這些觀測正在改變我們對宇宙的認知，就好像宇宙在和我們交談一樣。這些觀測結果也是對理論學家提出的猜想的現實檢驗，告訴他們要收斂一下不切實際的猜想，充實自己的模型，以給出可檢驗的預言。

在宇宙學中，我們會探索過去發生的事情。宇宙學家們是時間旅行者，望遠鏡就是他們的時光機。當我們觀察深空時，我們會回溯到時間深處，因為來自遙遠恒星和星系的光要走上數百萬年甚至數十億年才能到達我們眼中。早在1927年，比利時神父兼天文學家喬治·勒梅特就曾預言，若考慮很長的時間跨度，空間是會膨脹的。但直到20世紀90年代，先進的望遠鏡技術的出現才使得追蹤宇宙膨脹的歷史成為可能。

宇宙的歷史讓人感到有些意外。例如，1998年，天文學家發現在大約50億年前，空間的擴張開始加速，可是所有已知的物質形式都會互相吸引，因此擴張速度應該減緩才對。從那以后，物理學家們一直在想，這種奇怪的宇宙加速度是不是由愛因斯坦的宇宙學常數驅動的。這是一種看不見、摸不著的暗能量，它會導致引力相互排斥而不是吸引。一位天文學家打趣說，宇宙看起來就像洛杉磯：包含1/3的物質、2/3的能量。

顯然，如果宇宙現在正在膨脹，那么它在過去一定是受到擠壓的。如果你倒推宇宙歷史——當然，這只是一個數學練習——你就會發現，所有的物質曾經都非常密集地聚集在一起，而且那時非常熱，因為物質被擠壓在一起時會發熱并產生輻射。這種原始狀態被稱為熱大爆炸。始于20世紀90年代黃金時期的天文學觀測已經將宇宙的年齡——從大爆炸時刻起流逝的時間——定為138億年，誤差范圍是2 000萬年。

出于對宇宙誕生之謎的好奇，歐洲空間局（ESA，簡稱歐空局）于2009年5月發射了一顆衛星，完成了有史以來最詳細、最雄心勃勃的夜空掃描。它的目標是尋找大爆炸遺留下來的熱輻射中一種神秘的漲落模式。宇宙誕生時產生的熱量在不斷膨脹的宇宙中旅行了138億年之后，今天到達我們這里的時候已經非常低了：溫度為2.725 K，約–270攝氏度。在這個溫度下，輻射主要位于電磁波譜的微波波段，因此殘余的熱量被稱為宇宙微波背景（CMB）輻射。

歐空局在捕捉古老熱量方面的努力在2013年達到頂峰，當時世界各大報紙的頭版上都出現了一幅類似點彩畫的奇特斑點圖像。圖2就是這幅圖像，它顯示了整個天空的投影，極為詳細，包含數百萬像素，這些像素代表了空間中不同方向的殘余CMB輻射的溫度。對CMB輻射如此詳細的觀測提供了大爆炸后38萬年宇宙樣貌的快照，當時宇宙已經冷卻到幾千度，這個溫度足以將原始輻射釋放出來。從那時起，原始輻射在宇宙中便一直暢行無阻了。

CMB的天圖證實，大爆炸的殘余熱量幾乎均勻分布在整個空間中，盡管不是完全均勻。圖像中的斑點代表了微小的溫度差異，即不超過十萬分之一度的微小漲落。這些微小的變化，無論多么微小，都至關重要，因為它們描繪了最終形成星系的種子。如果熱大爆炸在任何地方都是完全均勻的，今天的星系將不復存在。

這幅古老的CMB快照代表著我們的宇宙學視界：我們無法往回看得更遠了。但是，我們可以從宇宙學理論中收集到一些關于更早時期宇宙運行過程的信息。正如古生物學家從化石中了解到地球上的生命曾經是什么樣一樣，宇宙學家可以通過破譯刻印在這些漲落“化石”中的模式，拼湊出在這張余熱圖被拓印在天空中之前，宇宙中可能發生的事情。這就把CMB變成了一塊宇宙學的羅塞塔石碑，使我們能夠追溯宇宙更早的歷史，甚至可以追溯到宇宙誕生后的一秒鐘。

而我們從中學到的東西也很有趣。我們將在第4章中看到，CMB輻射的溫度差異表明，一開始宇宙快速膨脹，然后減速，而最近（大約50億年前）又開始加速。在很長的時間和很廣的空間尺度上，減速似乎反倒成了一種例外，而不是規律。這是宇宙中看似偶然的對生命體友好的特性之一，因為只有在膨脹放慢的宇宙中，物質才會聚集并形成星系。如果不是在過去的膨脹過程中出現了長時間的近乎停頓，就不會有星系和恒星，也就不會有生命。

實際上，在物理學家第一次將我們存在的條件納入現代宇宙學考量的時候，宇宙的膨脹歷史就位于問題中心了。這一時刻發生在20世紀30年代初，當時勒梅特在他的一本紫色筆記本[1]上描繪了一個他所謂的“躊躇”的宇宙，它的膨脹歷史很像一次顛簸之旅，這跟70年后的觀測不謀而合（見插頁彩圖3）。考慮到宇宙的可居住性，勒梅特接受了宇宙在膨脹過程中長時間停頓這一想法。他知道，對附近星系的天文觀測表明，最近宇宙的膨脹速率很高。但當他以同樣的速度回溯宇宙的演化時，他發現這些星系在不超過10億年前一定會相互重疊在一起。當然，這是不可能的，因為地球和太陽的年齡比這個時間古老得多。為了避免宇宙歷史和太陽系歷史之間的明顯沖突，他設想了一個膨脹得非常緩慢的過渡時期，給恒星、行星和生命留足發展的時間。

自勒梅特的開創性工作以來，物理學家們在幾十年里發現了更多這樣的“幸福巧合”。從原子和分子的行為到最大尺度的宇宙結構，如果宇宙的任何基本物理性質發生哪怕一個微小的變化，它的宜居性都會大打問號。

比如說引力，這個塑造和支配著大尺度宇宙的作用力。引力是極弱的：需要整個地球的質量才能剛好保持我們的腳站在地面上。但是，如果引力再強一點兒的話，恒星就會更加明亮，因此也會在更年輕的時候消亡，沒有時間讓復雜的生命在其周圍任何一顆被其熱量加熱的行星上進化出來。

再比如說大爆炸余輝輻射溫度十萬分之一的微小差異。如果這些差異稍大一點點，比如說取萬分之一，宇宙結構的種子大部分都將成長為巨大的黑洞，而不是擁有大量恒星的宜居星系。相反，若是差異更為微小——百萬分之一或更小——就不會產生任何星系了。熱大爆炸則恰到好處，它以某種方式將宇宙帶上了一條對生命體極其友好的道路，而結果直到幾十億年后才會顯現出來。為什么會這樣？

宇宙中這種幸福巧合的其他例子比比皆是。我們生活的宇宙有3個大的空間維度。3這個數有什么特別之處嗎？確實有。哪怕再增加一個空間維度都會使原子和行星軌道變得不穩定。地球將螺旋式地落入太陽的懷抱，而不是在其周圍的穩定軌道上按部就班地運行。具有5個或更多大空間維度的宇宙則存在更大的問題。而只有兩個空間維度的世界可能無法為復雜系統提供足夠的存活空間，如圖3所示。三維空間對生命體來說似乎剛好合適。

此外，宇宙的化學性質也不可思議地剛好適合生命存在，這些化學性質是由基本粒子以及它們之間作用力的性質決定的。例如，中子比質子要重一點兒，中子與質子的質量比為1.001 4。如果相反，則宇宙中的所有質子都會在大爆炸后不久衰變為中子。但是沒有質子就沒有原子核，因此就沒有原子，也就不會產生化學結構。

另一個例子是恒星中碳的產生。我們知道，碳對生命至關重要。但宇宙并非生來就有碳，碳是在恒星內部發生的核聚變中形成的。20世紀50年代，英國宇宙學家弗雷德·霍伊爾指出，恒星中由氦到碳的高效合成取決于束縛原子核的強核力和電磁力之間的微妙平衡。如果強力再強一點點或是弱一點點，哪怕只改變百分之幾，那么核子的束縛能就會發生變化，危及碳的結合，從而危及碳基生命的形成。霍伊爾覺得這太奇怪了，以至于他說宇宙看起來就像一個“騙局”，仿佛“一個超級智慧體在瞎搗弄物理、化學和生物學定律”。[2]

但在這些造就生命的精細調節中，最令人感到不解的一種與暗能量有關。我們測量到的暗能量密度值非常小，竟然是許多物理學家認為較自然的數值的1/10123。然而，正是因為暗能量密度這么小，宇宙才得以在暗能量能夠聚集足夠的力量加速其膨脹之前“躊躇”了大約80億年。早在1987年，史蒂文·溫伯格就指出，如果暗能量密度稍微大一點兒，比如說取較自然的數值的1/10121，那么它的排斥效應就會更強，而且會更早出現，這樣宇宙也不太可能形成星系。[3]

簡言之，正如史蒂芬在我們的第一次談話中強調的那樣，宇宙似乎是為了讓生命成為可能而設計的。著名作家、理論物理學家保羅·戴維斯在談到宇宙的“金發姑娘”因素時說：“就像金發姑娘和三只熊的故事中的粥[4]一樣，宇宙在許多有趣的方面似乎‘正好’適合生命。”[5]雖然這并不意味著宇宙就應該充滿生命，但這些現象表明，使宇宙得以如此宜居的這些審慎的調節絕不是這個世界表面上的性質。相反，它們深深地銘刻在物理定律的數學形式中。一大批粒子的質量和性質，支配它們相互作用的力，甚至宇宙的整體組成——所有這些似乎都是為支持某種形式的生命而量身定做的——反映了用以定義物理學家所稱的自然法則的數學關系的特定特征。因此，宇宙學中的設計之謎在于，物理學的基本定律似乎是專門為促進生命的出現而設計的，就好像存在一個隱藏的計劃，它將我們的存在與宇宙運行的基本規則編織在一起。這看起來不可思議，然而事實就是這樣！這個密謀究竟是什么呢？

現在，我要強調的是，對于理論物理學家來說，這是一個非比尋常的難題。通常，物理學家使用自然法則來描述各種現象或預測實驗結果。他們還試圖推廣現有的法則，以便將更廣泛的自然現象納入解釋范圍。但關于設計的這些問題讓我們走上了一條截然不同的道路。它們促使我們反思這些法則的深層本質，以及我們如何與其體系相匹配。現代宇宙學令人激動之處在于，它提供了一個科學框架，在這個框架中，我們有望闡明這一最大的謎團。因為宇宙學是物理學的一個特殊領域，在這里，我們試圖解決的問題的內在一部分就是我們自己。

歷史上，世界表面上的設計就一直被視為自然運行具有其潛在目的的證據。這一觀點可以上溯至亞里士多德，他也許是有史以來最有影響力的哲學家。亞里士多德也是一位敬業的生物學家，他觀察到，現實世界中的許多過程似乎充滿了意圖。他認為，如果缺乏理性的生物做事具有計劃性，那么就必然有一個終極之因從整體上來指導宇宙。亞里士多德的目的論論證很有說服力、合乎邏輯且令人滿意，并且在某種程度上得到了經驗的證實：我們周圍的世界到處都是終極之因起作用的例子，從一只鳥收集樹枝筑巢，到一條狗在花園里挖洞找骨頭。因此，亞里士多德的目的論觀點在近兩千年的時間里屹立不倒，基本上沒有受到質疑，這并不奇怪。

但在16世紀，在歐亞大陸邊緣的某個地方，一小群學者的工作引發了現代科學革命。哥白尼、笛卡兒、培根、伽利略和同時代的人強調，我們的感官會背叛我們。他們采納了一句拉丁語格言：Ignoramus，字面意思是“我們不知道”。這種觀點的轉變產生了深遠的影響。有些人甚至認為這是人類居于這個星球上近20萬年來最具影響力的一次轉變。此外，它的意義還沒有全部顯現。至少在學術界，科學革命的直接結果是拋棄了亞里士多德根深蒂固的目的論世界觀，代之以自然受理性法則支配的思想，這些理性法則運作于此時此地，而且是可以被我們發現和理解的。事實上，現代科學的本質是，在承認了自己的無知之后，我們可以通過實驗和觀察，以及開發數學模型把這些觀察結果歸納成一般理論或“法則”，從而獲得新的知識。

然而矛盾的是，科學革命使宇宙對生命體為何如此友好的這個謎加深了。在科學革命之前，人類對世界的概念是以某種統一為基礎的：有生命的世界也好，無生命的世界也罷，都被認為是由一個包羅萬象的目標所引導的，無論這一目標是否神圣。世界的設計被視為一個宏大的宇宙計劃的表現，這一計劃自然地賦予了人類一個特權角色。例如，由亞歷山大城的天文學家托勒密在其著作《天文學大成》中提出的古代世界模型，不僅以人類為中心，還以地球為中心。

但隨著科學革命的到來，生命與物理學宇宙之間關系的基本性質變得迷惑重重。在過去的近5個世紀中，我們對所謂客觀、不近人情、永恒的物理定律竟幾乎完全與生命體相適配這一事實的不解，就清晰地展現了這種迷惑。因此，盡管現代科學成功地廢除了天與地之間的舊二分法，但它在有生命和無生命的世界之間制造了一道可怕的新裂痕，使人類對自己在宇宙大計劃中所處地位的看法變得難以捉摸。

事實上，通過回溯“有法則存在”這一概念的深層根源，我們也許能夠更好地理解人類對自然法則本體論的看法是如何形成的。最早關于法則支配自然的想法出現于前6世紀，屬于泰勒斯創建的愛奧尼亞學派，該學派活動于米利都，即今天的土耳其西部。米利都是希臘愛奧尼亞地區最富有的城市，是位于米安德爾河流入愛琴海的入海口附近的一個天然港口。在那里，傳說中的泰勒斯就像現代科學家一樣，喜歡揭開世界的表面看問題，以便在更深層次上認識這個世界。

泰勒斯有一個學生，名叫阿那克西曼德，他創造了希臘人所稱的“質詢自然”（περι φυσεω? ιστο?ια），因此便有了物理學。阿那克西曼德也被尊為宇宙學之父，因為是他第一個將地球想象成一顆行星，即地球是一塊自由飄浮在空蕩蕩的空間中的巨大巖石。他推斷，地底下并不是無盡的厚土，也沒有巨大的圓柱，而是和我們在頭頂上所看到的一樣的天空。通過這種方式，他賦予了宇宙以深度，將其從一個上面有天、下面有地的封閉盒子變成了一個開放的空間。這一概念性的轉變使人們能夠想象天體從地球下面經過，為希臘天文學鋪平了道路。此外，阿那克西曼德還寫了一篇題為《論自然》的論文，這篇論文已經失傳，但被認為包含以下片段：[6]

萬物皆源于彼此，化為彼此，一切跟隨所需；

因為在時間之神的訓示下，它們賜予彼此以公平，彌補彼此之盈虧。

在這幾句話中，阿那克西曼德表達了這樣一種革命性的觀點，即自然既不隨意，也不荒誕，而是受某種形式的法則支配。這是科學的基本假設：在自然現象的表面之下，隱藏著一個抽象但合乎邏輯的秩序。

阿那克西曼德并沒有詳細說明自然法則可能采取何種形式，只是將其與規范人類社會的公民法進行了類比。但他最著名的學生畢達哥拉斯提出，世界秩序以數學為基礎。畢達哥拉斯學派給數字賦予了神秘的意義，并試圖通過數來構建整個宇宙。他們認為世界可以用數學語言來描述，這一觀點得到了柏拉圖的采納和支持，柏拉圖把它作為自己真理觀的支柱之一。柏拉圖將我們的經驗世界比喻為一個具有完美數學形式的、更加高級的真實世界的影子，而這一真實世界離我們所感知的世界相當遙遠。因此，古希臘人后來相信，即使我們不能輕易觸摸或看到世界的根本秩序，我們也可以通過邏輯和理性去推斷它。

古人的理論盡管可能令人印象深刻，但他們對自然的推測無論是在實質內容上，還是在方法或風格上，都與現代物理學幾乎沒有共同之處。一方面，早期希臘人幾乎完全基于美學基礎和先驗假設進行推理，很少或者根本沒有對其進行檢驗。他們完全沒有這一概念。因此，他們對“物理學”以及事物規律的概念與現代科學理論毫無相似之處。已故的史蒂文·溫伯格在其最后一本書《給世界的答案》中指出，從當代的觀點來看，最好不要把早期希臘人當成物理學家或科學家，甚至哲學家，而要當成詩人，因為他們的方法論與今天的學術實踐有著根本的不同。當然，現代物理學家也從他們的理論中看到了美，大多數現代物理學家在研究中也對美學考量很敏感，但這些考量不能替代我們用實驗和觀測的手段對理論的驗證，畢竟實驗和觀測才是科學革命的關鍵創新。

盡管如此，柏拉圖將世界數學化的構想仍將被證明具有巨大的影響力。20個世紀之后，當現代科學革命開始時，其主要參與者正是出于他們對柏拉圖計劃的信仰，去尋求一種用數學關系來支撐物理世界的隱秘秩序。伽利略寫道：“這本偉大的自然之書，只有那些知道它所用語言的人才能閱讀。而這種語言就是數學。”[7]

艾薩克·牛頓，一名煉金術士、神秘主義者，雖性格難處，卻是有史以來最有影響力的數學家之一，他用《自然哲學的數學原理》鞏固了數學方法在自然哲學研究中的地位，這本書可以說是科學史上最重要的書。在1665年瘟疫肆虐、劍橋大學閉校期間，牛頓為這本書的寫作開了個好頭。作為一名新科文學學士，牛頓回到了他母親在林肯郡的家和蘋果園。在那里，他思考了微積分、引力和運動，并用棱鏡散射光線，表明白光是由彩虹的顏色組成的。但直到很久以后的1686年4月，牛頓才將《自然哲學的數學原理》（以下簡稱《原理》）交由皇家學會出版，其中包括三條運動定律和萬有引力定律。后者也許是最著名的自然法則，它指出兩個物體之間的引力與物體的質量成正比，并與距離的平方成反比。

牛頓在《原理》中證明，無論是神圣的天堂還是我們周圍不完美的人類世界，其運作方式均以同樣的普遍性原理為基礎，這標志著在概念上和精神上與過去的決裂。人們有時認為是牛頓統一了天地。他將行星的運動表述成一系列數學方程式，改變了以往對太陽系的所有圖形化的描述，標志著從魔法時代向現代物理學的轉變。牛頓的體系提供了后來所有物理學家都遵循的一般范式。與古希臘人的“物理學”不同，當代物理學家對牛頓的物理學感到非常親切。

牛頓定律的一個著名的成功案例是1846年海王星的發現。早先的天文學家發現天王星的軌道與牛頓引力定律預言的軌道略有偏離。法國人于爾班·勒維耶試圖解釋這一難以消除的差異，他大膽地提出，天王星的軌道之所以偏離，是因為一顆未知的、更遙遠的行星，它的引力稍微影響了天王星的軌跡。利用牛頓定律，勒維耶預測出這顆未知行星在天空中應該所處的位置，以解釋天王星在軌道上的偏離——前提是牛頓定律是正確的。天文學家很快就發現了海王星，距離勒維耶所指的位置不到一度。這成了19世紀科學界最引人注目的時刻之一。人們說勒維耶“在筆尖下”發現了一顆新行星。[8]

幾個世紀以來，牛頓定律不斷取得諸如此類的驚人成功，這似乎證實了牛頓定律是一個普遍的、決定性的真理。早在18世紀，法國數學家約瑟夫·路易·拉格朗日就說過，牛頓很幸運地生活在人類歷史上能夠發現自然規律的獨特時期。事實上，牛頓本人似乎只是沒有去阻止這一新神話的出現。他沉浸在神秘主義的傳統中，將自己發現的定律的優雅數學形式視為上帝思想的體現。

這種自然規律的數學表述也就是當今物理學家所說的“理論”。物理理論的實用性和預言能力來自這樣一個事實：它們以抽象的數學方程來描述現實世界，人們可以操縱這些方程來預言將發生的事情，而不需要實際觀測或做實驗。這確實行得通！從海王星的發現到引力波的測得，再到對新基本粒子及其反粒子的預言，物理學定律的數學基礎一再指向新的、令人驚訝的自然現象，這些現象后來都被人們觀察到了。出于對這種預言能力的敬仰，諾貝爾獎獲得者保羅·狄拉克把尋找有趣、美麗的數學原理作為研究物理學的首選方式，這是出了名的。他說，數學“會牽著你的手”，“去發現新的物理理論”。[9]今天的弦論學家在尋找最終的統一理論時，大多采用了狄拉克的格言——他們有時會禁不住先輩們的煽惑，將其理論體系中的數學之“美”作為其“真”的保證。不止一位弦論的先驅曾深情地表示，弦論的數學結構太過美麗，很難想象它與自然無關。

然而，在更深層次上，我們仍然不太理解為什么理論物理可以如此成功。為什么自然界要順應于這一系列在其背后運作的微妙的數學關系？這些定律到底意味著什么？它們又為何采取這樣的形式？

在這一點上，大多數物理學家繼續追隨柏拉圖的腳步。他們傾向于將物理學定律視為永恒的數學真理，它們不僅存在于我們的頭腦中，而且運作于超越物理世界的抽象現實中。例如，他們通常認為引力定律或量子力學是某個終極理論的近似，該終極理論存在于尚未被發現的某處。因此，雖然在現代科學時代，物理定律首先以工具的形式出現，用以描述所發現的自然界規律，但自牛頓確定其數學根源以來，它們就有了自己的靈魂，獲得了一種超越物理世界的實在性。對20世紀初的法國博學家亨利·龐加萊來說，無條件相信柏拉圖的定律是做一切科學研究必不可少的前提。

龐加萊的愿景雖然很有趣，也很重要，但也令人費解。柏拉圖的理念中這些遠在天邊的法則到底是如何結合在一起來支配一個物理宇宙的，而且還是這么一個對生命體友好的美好宇宙？而關鍵是，宇宙大爆炸的發現，意味著這不僅僅是一個哲學問題。事實上，如果大爆炸真的是時間的起源，那么龐加萊的理論最好是對的，因為如果是物理定律決定了宇宙如何開始，人們就會認為它們一定存在于時間之外。有趣的是，大爆炸理論將看似純粹形而上學的思考拖入了物理學和宇宙學領域。這一理論將一些有關物理定律最終是什么的假設推到了我們面前。

最后，物理學定律以某種方式超越自然世界的這一想法可能還有一個風險，即它會使這些定律對生命超乎尋常的適應性的根源變得完全神秘莫測。堅持這一想法的物理學家只能寄希望于，那個終極理論核心處強大的數學原理有朝一日能夠解釋它們有助于生命產生的特性。當今的柏拉圖主義者對大設計之謎的答案是，這將成為一個數學必然性的問題：宇宙之所以如此，是因為大自然別無選擇。從某種程度上說，這是一個答案，它有點兒像亞里士多德的終極之因的感覺，只是偽裝成了現代理論物理學的樣子。此外，且不談這種終極理論仍是一個遙遠的夢想，即使我們真的發現了如此強大的數學原理，它也很難解釋為什么宇宙對生命體恰好如此友好。任何一種柏拉圖式的真理都無法彌合在現代科學誕生之初產生的無生命世界和有生命世界之間的鴻溝。相反，我們不得不斷定，生命和智慧只是在一個基本上沒有人情味的理想數學現實中的幸福巧合，沒有更深層次的意義了。

關于物理學和宇宙學設計問題的這些柏拉圖式傾向，雖說沒有明顯的錯誤，卻與自達爾文以來的生物學家們在生命世界中所看到的設計方式大相徑庭。

在生物世界中，目標導向的過程和看似有目的的設計似乎無處不在。事實上，正是這些現象構成了一開始亞里士多德的目的論自然觀的基礎。生命有機體是極其復雜的，即使是一個活細胞，也包含五花八門的分子成分，它們出色地配合以完成許多任務。在更大的生物體中，大量的細胞協同工作，以構建精細的、有功能性的結構，如眼睛和大腦。在查爾斯·達爾文之前，人們無法理解物理和化學過程怎么能夠產生如此驚人的功能復雜性，于是他們引入了一位設計師來解釋。18世紀的英國牧師威廉·佩利（William Paley）用手表的運轉機制來比擬這些生命世界中的奇跡。佩利認為，就像一塊手表一樣，生物世界中設計的痕跡太明顯了，不容忽視，而“設計就必須有設計師”。[10]但達爾文顛覆性的進化論將這種目的論思維從生物學中干脆利落地消除了。達爾文的深刻見解是，生物進化是一個自然過程，而簡單的機制——隨機變異和自然選擇——就可以解釋生命體中看似被設計的過程，無須引入設計者的角色。

在加拉帕戈斯群島，達爾文發現了各種各樣的雀科鳥，它們的喙的大小和形狀各不相同。地雀類的喙很結實，能有效地敲碎堅果和種子，而樹雀類的喙是尖尖的，很適合抓取昆蟲。這些以及達爾文旅途中收集的其他數據向他表明，不同種類的雀鳥是有聯系的，并在其特定生態位的影響下隨著時間的推移而進化。1837年，達爾文乘坐小獵犬號考察船前往加拉帕戈斯，剛出航不久，他在一本紅色筆記本上畫了一棵不規則分枝的樹的簡單草圖。這張關于一棵祖先樹的草圖，引出了他那個深刻而迅速發展的理論，即地球上的所有生物都具有關聯性，且是由一個共同的祖先——圖中的樹干——進化而來的。這種進化是通過對隨機變異的復制基因進行逐步漸進的環境選擇來進行的（見插頁彩圖4）。

達爾文主義的核心思想是，大自然不會展望未來——它不會預測我們需要什么才能生存。相反，任何趨向性，如喙的形狀變化或長頸鹿脖子長度的逐漸增長，都是由環境選擇壓力引起的，環境選擇壓力會在很長時間范圍內起作用，來放大有用的特征。

20多年后，達爾文寫道：“生命及其蘊含之力能，最初由造物主注入到寥寥幾個或單個類型之中；當這一行星按照固定的引力法則持續運行之時，無數最美麗與最奇異的類型，即是從如此簡單的開端演化而來，并依然在演化之中；生命如是之觀，何等壯麗恢弘！”[11][12]

達爾文進化論顛覆了佩利的觀點，它證明了這塊手表并不需要瑞士制表師。它對生命世界進行了徹底的進化論描述，在這個世界中，表觀上的設計——包括其遵循的規律——被理解為在自然過程中涌現[13]的性質，而不是某些超自然創世之行為的結果。

然而，盡管生物法則如此壯麗恢弘，但人們通常認為它沒有物理學法則那么基本。因涌現而產生的類似法則的范式雖然可能會持久，但沒有人認為它們是永恒的真理。此外，在生物學中，決定論和可預測性的奠基性作用要小得多。牛頓運動定律是屬于決定論范疇的：它們允許物理學家根據物體今天（或過去任何時刻）的位置和速度，預測未來任何時刻物體的位置。而在達爾文的體系中，生物系統中突變的隨機性意味著幾乎沒有任何事物可以提前確定，甚至連某一天可能涌現出什么規律也無法確定。這種決定論的缺乏給生物學注入了一種回顧性的元素：人們只能通過回溯時間來理解生物進化。達爾文的理論并沒有詳細描述從最早的生命到今天多樣而復雜的生物圈的實際進化路徑。它不能預言生命之樹，因為那不是，也不可能是它的目的。相反，達爾文的天才之處在于他對一般組織性原則的描繪，同時將特定的歷史記錄留給了系統發育學和古生物學。也就是說，達爾文的進化論認識到，我們所知道的生命是規律和特定歷史的共同產物。它的效用在于，它使科學家能夠從我們今天對生物圈的觀察和共同祖先的假設出發溯及既往，構建生命之樹。

達爾文的雀鳥就是一個很好的例子。如果達爾文按照從古到今的方向推理，試圖從有生命前地球的化學環境出發，預測加拉帕戈斯群島上的各種雀鳥物種，那么他將一敗涂地。不能僅僅根據物理和化學定律來推斷雀鳥或棲息于我們這個星球上的任何其他物種的存在，因為生物進化過程中的每一個分支都是一場運氣的游戲。一些偶然的結果受到環境條件的青睞，由此被固定下來，通常會在后面的進化階段產生戲劇性的后果。這些被定格的偶發事件有助于確定后續進化的特征，甚至可能形成新形式的生物學規律。例如，一些集體的分支產生了有性生殖生物體，而孟德爾遺傳定律的誕生就來源于這樣的結果。

在圖5中，我畫出了基于核糖體RNA（核糖核酸）序列分析得到的生命系統發育樹的現代版本，展示了細菌、古菌和真核生物三個域及其在樹底部的共同祖先。這棵樹上的一切，從它的分子基礎到它的雀類分支，都濃縮了數十億年來化學和生物迂回復雜的探索歷史，使生物學成為一門以回顧性為主的科學。正如進化生物學家斯蒂芬·杰伊·古爾德所說：“如果我們將生命史的磁帶‘倒帶’并重新播放，所進化出來的物種、身體構造和表型可能會完全不同。”[14]

生物進化的這種內在的隨機性也擴展到了歷史的其他層面，從非生物起源到人類歷史都有。像達爾文一樣，歷史學家在解釋歷史進程中偶然的意外時，是將描述“如何”和解釋“為什么”這兩件事區分開來的。為了描述“如何”，歷史學家像生物學家一樣進行事后推理，并重建從一個時間節點到給定結果的具體事件序列。然而，要解釋為什么，則需要人們像物理學家一樣思考，并朝著時間流逝的方向努力，以識別出一些符合因果性及決定論的關聯，這種關聯會預測出某一特定的歷史路徑，而不是其他。對歷史的膚淺解讀往往看似對事情為什么以這種方式而不是那種方式發生提供了一種符合因果性及決定論的解釋，但更細致的分析就會揭示出處于歷史岔路口相互競爭的力量之間錯綜復雜的網絡，再加上大量的突發事件，使得這條歷史路徑撲朔迷離，當然也不是非走不可。這迫使人們只能去描述“如何”，而不是“為什么”。

透過我的辦公室窗戶，我能看到一片樹林，它的位置就在滑鐵盧戰場以南幾英里[15]。1815年6月17日，在決定性戰斗的前夕，拿破侖·波拿巴命令他的將軍埃曼努爾·格魯希追擊普魯士軍隊，以防止他們與占據北部陣地的英聯軍會師。格魯希恪盡職守，帶領法軍精銳部隊向東北進軍，但未能發現普魯士軍隊。翌日清晨——就在我能看到的這片樹林中——他聽到遠處法軍加農炮的低沉聲音，意識到戰斗已經開始。在關鍵的幾分鐘里，他猶豫了一下是否要違抗拿破侖的命令，回頭支援留在那里的法軍。但他選擇繼續前進，去追擊普魯士軍隊。格魯希當時的決定是一次非同尋常的“定格偶發事件”，不僅影響了戰斗的結果，也影響了歐洲歷史的進程。

再舉一個例子，考慮一下4世紀基督教在羅馬帝國的興起。306年君士坦丁大帝登基時，基督教不過是一個默默無聞的教派，正與當時的眾多其他教派爭奪影響力。為什么基督教會占領羅馬帝國并成為普遍的信仰？歷史學家尤瓦爾·赫拉利在其著作《人類簡史》中認為沒有符合因果性的解釋，基督教在西歐影響力的主導應被視為又一次“定格偶發事件”。赫拉利聲稱“如果我們能夠將歷史倒回，將4世紀重演100次，我們會發現基督教占領羅馬帝國的機會只有幾次”，這與生物學上古爾德的觀點遙相呼應。但基督教的定格偶發事件產生了深遠的后果。其中之一是，一神論鼓勵人們相信上帝是創世主，并為所創造的世界制訂了合理的計劃。難怪12個世紀后，當現代科學終于在基督教的歐洲出現時，早期科學家將他們的研究視為一種宗教追求，為我們仍在努力解決的大設計之謎設定了一個大背景。

總的來說，從人類歷史到生物學以及天體物理演化，歷史上的每一個節點都有無數條道路，這意味著決定論的解釋只能是粗枝大葉的。在進化的任何階段，決定論和因果性都只塑造了大致的結構趨勢和性質，通常是基于在復雜程度較低的對象上起作用的規律。例如，充滿偶發性意外的人類歷史，到目前為止，除了幾次到太陽系其他天體的短途旅行外，大部分都是在地球范圍內上演的。考慮到產生人類生命的物理和地質環境，這種行星范圍內的限制并不奇怪，而且是可以預測的，但它幾乎沒有告訴我們人類歷史上任何一個時代的任何具體情況。

同理，門捷列夫元素周期表上化學元素的順序和周期表的結構基本上是由較低層面的粒子物理定律決定的。但地球上元素的具體豐度則取決于引發地球演化，以及演化中出現的無數偶發事件。

再到生物化學層面，考慮這樣一個規則，即地球上所有生命都基于DNA（脫氧核糖核酸），且基因都由以A、C、G和T為縮寫的4個核苷酸組成。DNA分子這種特定的基石可能是我們星球上自然發生過程的偶然結果。但是，生命為了維持自身所必須掌握的基本計算能力則位于更深層次，很可能需要根據基本的數學和物理原理來決定遺傳信息分子載體的廣泛結構特性。1948年，匈牙利裔美國數學家約翰·馮·諾伊曼通過構建自我復制自動機理論證明了這一點。在沃森和克里克發現DNA結構的5年前，馮·諾伊曼發現了生命為了生存必須克服的關鍵計算問題，并提出了一種巧妙的結構——該結構似乎是唯一可能實現復制能力的結構。他畫的結構一看就知道是DNA。

進化不斷地建立在大量的定格事件鏈之上。較低的復雜性水平為更高水平的進化創造了環境，但這仍然為令人吃驚的意外留下了太多的空間，以至于極不可能的路徑常常成為現實，同時決定論也失效。無數分支事件的偶然結果為進化注入了一個真正的涌現因素。它們增加了較低層次法則中未包含的大量結構和信息，更高層次的與法則類似的新范式就出現于這些結構和信息中，并且經常出現。例如，雖然今天沒有一位嚴肅的科學家相信生物學中存在著特殊的、沒有物理化學起源的“生命力”，但僅靠物理層面并不能決定地球上的生物學法則有哪些。

* * *

1859年11月24日，查爾斯·達爾文出版了他的代表作《物種起源》。僅僅18天后，他就收到了天文學家約翰·弗雷德里克·威廉·赫歇爾爵士的來信。赫歇爾是天王星發現者的兒子，他對達爾文進化論圖景里的任意性表示懷疑，稱他的書不過是“亂七八糟的法則”。[16]然而，這正是它的力量所在。達爾文理論的美妙之處在于，它綜合了生命世界中隨機變異和環境選擇相互競爭的力量。達爾文發現了生物學中“為什么”和“如何”之間的黃金節點，將因果性解釋與歸納性推理結合在一個自洽的方案中。他表明，盡管生物學本質上具有歷史性和偶然性，但它可以成為一門真正富有成效的科學，可以增進我們對生命世界的理解。

達爾文主義推進了科學革命，并將其擴展到一個目的論觀點似乎無懈可擊的領域——生命世界。但它所顯現出的世界觀與現代物理學的世界觀有著天壤之別。這種差異在它們對大設計之謎的不同看法中表現得最為明顯。一方面，達爾文主義為生命世界中大設計的形態提供了完全進化論式的理解。而另一方面，物理學和宇宙學則首先著眼于永恒的數學規律的本質，以解釋是什么使得向生命的過渡成為可能。生命科學領域的學者和物理學家都經常將達爾文進化論“亂七八糟”的方案與物理學定律嚴格、不可變通的特性進行對比。人們認為在物理學的底層起支配作用的，不是歷史和進化，而是永恒的數學之美。勒梅特認為宇宙在膨脹的深刻見解，顯然為宇宙學引入了濃重的進化論思想。然而，在涉及表面的大設計之根本起源的更深層次上，插頁彩圖中勒梅特和達爾文的草圖（分別為彩圖3和彩圖4）似乎顯露出截然不同的世界觀。自科學革命以來，正是這一觀念上的鴻溝將生物學和物理學割裂開來。

從史蒂芬最早期的科學事業開始，如何彌合這一裂痕的問題就一直縈繞在他的腦海中，但真正的研究計劃直到20世紀末才形成。此時，他的大部分研究工作都圍繞著宇宙設計之謎展開。他對這一問題的關注，不亞于對從內部改變宇宙學的關注。

讓我們再回到這段宇宙學發展的黃金時期。宇宙正在加速膨脹，這一意外的觀測發現與其他同樣令人驚訝的理論發展都表明，物理學定律可能根本不是板上釘釘的事。越來越多的證據表明，至少物理定律的某些性質可能不是數學上的必然，而是一種偶然，它們反映了宇宙從熱大爆炸冷卻下來的一種特殊方式。從粒子的種類到相互作用力的強度，再到暗能量的占比，很明顯，宇宙適宜生命體存在的特質可能并不像出生證明一樣一開始就被刻進它的基本架構中，而是隱藏在熱大爆炸深處的古老進化的結果。

不久，弦論學家開始設想一個多樣化的多元宇宙，即一個巨大的、快速膨脹的空間，由多個島宇宙拼湊而成，每個島宇宙都有自己的物理學定律。宇宙這一宏大的擴展徹底改變了人們對宇宙學精細調節的觀點。多元宇宙的支持者并沒有哀悼他們唯一能預測世界模樣的終極理論夢想的破滅，而是試圖通過將宇宙學轉變為一種環境科學（盡管它這個環境非常之大！）來扭轉這一令人尷尬的失敗。一位弦論學家將多元宇宙中物理定律的局部特征比作美國東海岸的天氣：“變幻莫測，幾乎總是很可怕，但偶爾也很可愛。”[17]

我們可以從科學史中感受到這種變化的重要性。1597年，德國天文學家約翰內斯·開普勒在古老的柏拉圖多面體的基礎上提出了一個太陽系模型，柏拉圖多面體包括5個正多面體，其中以立方體最為著名。開普勒設想將6顆已知行星的近似圓形軌道附著在圍繞太陽旋轉的不可見球面上。然后，他假設這些球面的相對大小是由以下條件決定的：每個球面（除了最外層土星的那一個）正好卡在其中一個正多面體的內部，同時每個球面（除了最內層水星的那一個）又正好卡在其中一個正多面體的外部。[18]開普勒畫的圖（圖6）對這一結構做了說明。當開普勒將這5個幾何實體按正確的順序一個里面套著一個，并緊緊卡在一起時，他發現嵌于其中的球面之間的間隔與每個行星到太陽的距離相對應，其中土星沿著最外層多面體的外接球面運轉，不同行星軌道的相對半徑保持不變。以這一理論為基礎，他預測行星的總數就是6顆，還預測了它們軌道的相對大小。對于開普勒來說，行星的數目和它們到太陽的距離是自然界深層次數學對稱性的表現。他的《宇宙的奧秘》實際上是在試圖將古代柏拉圖關于球體和諧的夢想與16世紀關于行星圍繞太陽轉的見解真正調和起來。

在開普勒的時代，人們普遍認為太陽系就是整個宇宙了。沒有人知道每顆閃爍的星星其實也是一個太陽，有自己的行星系統圍著它轉。因此，認為行星軌道就是最基本的物理定律是很自然的。而如今我們知道，行星的數目和它們與太陽的距離都沒有什么特別的意義。我們明白，行星在太陽系中的排列并不是獨一無二的，甚至也不是特殊的，而只是原始太陽周圍一群旋轉的氣體和塵埃經過特定的歷史過程而形成的。在過去的30年里，天文學家觀測到了成千上萬種行星系，它們的軌道結構千差萬別。有些恒星周圍有像木星那么大的行星，在數天內就能繞恒星轉一圈，有些恒星周圍則有3個乃至更多溫度適宜、類似地球的行星，還有些行星系中有兩顆恒星，日夜交替混亂，并有許多其他奇怪的天體現象。

如果我們真的生活在多元宇宙中的話，那么我們宇宙中的物理定律就會遭遇與太陽系中的行星軌道同樣的命運。若想追隨開普勒的腳步，為孕育生命的精細調節過程尋找更深入的解釋，那注定徒勞無功。在多元宇宙中，這些法則的生命體友好特性只是在熱大爆炸中出現的一些隨機過程的偶然結果，這些隨機過程產生了我們這個特殊的島宇宙。多元宇宙的支持者認為，當今的柏拉圖主義者一直在盯著一個錯誤的方向。他們認為，迫使宇宙適于生命體居住的并不是深刻的數學真理，而只是宇宙某個部分的一個極好的天氣。對宇宙大設計的任何想象，都是幻覺。

然而，當我討論到霍金最終理論的核心時，這個推理中還隱藏著一個至關重要的問題：多元宇宙本身就是柏拉圖式的構造。多元宇宙理論假設某種永恒的元法則支配著整個宇宙，但這些元法則并沒有指明我們應該位于眾多宇宙中的哪一個之中。這是一個問題，因為如果沒有一條規則將多元宇宙的元法則與我們島宇宙中的局域法則聯系起來，這個理論就會陷入一個悖論的螺旋中，使我們根本無法進行可驗證的預測。多元宇宙的宇宙學從根本上是不確定、不明晰的。它缺乏關于我們在那張神奇的宇宙拼圖中的行蹤的關鍵信息，因此，它無法預測我們應該看到什么。多元宇宙就像一張沒有個人識別密碼的借記卡，或者更糟糕，像一個沒有指南的宜家儲物間。從深刻的意義上講，該理論未能說明在這茫茫宇宙中，我們是誰，以及我們為什么在這里。

然而，多元宇宙論者不會輕易放棄。他們提出了一種修補這一理論的方法，這一提案如此激進，以至于從誕生起就震撼了科學界。這就是人擇原理。

1973年，“人擇原理”進軍宇宙學。天體物理學家布蘭登·卡特是史蒂芬在劍橋的同學，他在克拉科夫的一次紀念哥白尼的會議上提出了這一原理。這是一個不尋常的歷史轉折，因為在16世紀，哥白尼邁出了將人類從宇宙中的核心地位降級的第一步。[19]4個多世紀后，卡特同意哥白尼的觀點，即我們人類不是宇宙秩序的中心。不過他推斷說，如果我們認為自己在任何方面，尤其是在對宇宙的觀察方面都沒有任何特殊性的話，我們不也是誤入歧途了嗎？也許我們發現宇宙是這個樣子，正是因為我們身處其中的緣故？

卡特說得有道理。在我們不存在的時間或地點，我們肯定不會觀察到任何東西。早在20世紀30年代，像勒梅特和美國天文學家羅伯特·迪克這樣的科學家就已經思考了宇宙需要具備哪些特性才能支持智慧生物的存在。比方說，無論是智慧生命還是其他的生命形式，都依賴于碳元素，而碳是由恒星中的熱核燃燒聚變而成的，這一過程需要數十億年。膨脹宇宙若非包含數十億光年的空間，則無法提供數十億年的時間。因此勒梅特和迪克總結道，我們不應該對我們生活在一個古老而龐大的宇宙中感到驚訝。膨脹的宇宙中出現了一個可以讓由碳組成的天文學家們工作的最佳時期，而這必然會影響他們所能看到的東西。

這些結論與我們在日常生活中考慮選擇偏倚[20]時得出的結論沒有本質區別，但卡特更進了一步——應該說是一大步。他認為，選擇效應不僅會出現在我們這個單一宇宙中，而且會出現在多元宇宙中。他認為人擇原理在起作用，這一規則凌駕于支配多元宇宙的、沒有人情味的元法則之上，體現了宇宙中生命所需的最佳條件，并以“行動”來選擇眾多宇宙中哪一個應該屬于我們。

這確實是一個激進的想法。卡特的人擇原理再一次將生命體置于特權地位，把它放到詮釋宇宙的核心，從而使我們后退了5個世紀，回到了哥白尼之前。這一想法設定了某種為人偏愛的事物形態，包括生命、智力，甚至意識等，甚至有和目的論——亞里士多德的觀點——相勾連的嫌疑，而后者已經被科學革命推翻了，反正我們認為是這樣。

因此，難怪當卡特在1973年首次提出他的宇宙學人擇原理時，他的想法被人們嗤之以鼻，當作是無稽之談。畢竟，當時對于不管什么樣的多元宇宙，頂多只有些零零散散的理論依據。但來到20世紀末，當事情出人意料地峰回路轉時，多元宇宙理論獲得了廣泛認同，卡特的人擇思想迅速復活，并抓緊機會在這一巨大的宇宙拼圖中弄清我們的位置。人擇原理漸漸被視為多元宇宙理論的個人識別密碼，將其從抽象的柏拉圖式大廈轉變為具有解釋物理現象之潛力的真正理論。

多元宇宙愛好者宣稱，他們已經找到了宇宙設計之謎的第二個可能答案——第一個可能答案是，這只是一個巧合，是處于存在問題之核心、非常深刻但（迄今為止）仍保持神秘的數學原理產生的一個幸運結果。而來自人擇多元宇宙學的新答案是，表面上的設計是我們這個“局域”宇宙環境的屬性：我們居住在一個罕見的對生命體友好的宇宙中，該宇宙位于一個由許多島宇宙組成的巨大宇宙拼圖中，被人擇原理挑選了出來。這一發展令人興奮不已。林德宣稱：“宇宙和我們自身是在一起的。我無法想象一個自洽的宇宙理論可以忽視生命和意識。”[21]斯坦福大學（該校可以給人以大膽想象的底氣）的強硬派弦論學家倫納德·薩斯坎德在其《宇宙景觀》（The Cosmic Landscape）一書中將客觀的元法則與主觀的人擇原理一起描繪為基礎物理學的新范式。

粒子物理學泰斗史蒂文·溫伯格也表示，人擇思路預示著宇宙學新時代的黎明即將到來。他在20世紀60年代末提出的大統一思想，即認為電磁力和弱核力是一體的，形成了粒子物理學標準模型的基礎。此后，標準模型的一些預測已經被驗證到了不低于小數點后14位的驚人精度，使其成為物理學史上被檢驗得最精確的理論。溫伯格認為，要更深層地理解標準模型為何會采用目前的特定形式，我們在正統物理學的數學原理之外，還需要一條完全不同的原理作為補充。“科學史上的大多數進步都以發現自然奧秘為標志，”他在劍橋的題為“生活在多元宇宙中”的講座中告訴我們，“但在某些歷史轉折點，我們做出的發現關乎科學本身，以及我們認為什么樣的理論是可以接受的。我們可能正處于這樣一個轉折點……多元宇宙使人擇思路合法化，成為物理理論的新基礎。”[22]在這里，溫伯格呼吁的世界觀呼應了一種二元論。我們有物理法則或元法則，我們正在發現它們，但它們是冰冷的，沒有人情味。然而除此之外，我們還有人擇原理，它以自己的神秘方式將（元）法則與我們所體驗的物理世界聯系起來。

但反對的聲音也一直很強烈。多年來，人擇原理已成為理論物理學中最具爭議的問題。有些人對此明確表示反對。宇宙暴脹的發現者之一、普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特宣稱：“暴脹理論是在自掘墳墓。”“這就像是自暴自棄。”加州大學的諾貝爾獎得主戴維·格羅斯直言不諱地說。還有人認為，所有關于我們在宇宙中地位的討論都還為時過早。2019年夏天，另一位富有遠見的理論學家尼馬·阿爾卡尼–哈默德對一位弦論學家說道：“現在考慮這些問題還太早。”[23]現代科學革命為物理學的二元論埋下了種子，而在時隔5個世紀后，這樣的說法著實令人詫異。

令史蒂芬沮喪的是，大多數理論學家保持了沉默，并繼續忽視這一問題——他們仍然迷失在數學中。大多數理論物理學家過去認為，現在也依然認為，對宇宙為何如此適于生命居住的深層根源的探究超出了他們的學科范圍。他們寧愿相信，當我們發現了支配多元宇宙的弦論主方程以后，這個問題就會以某種方式消失。有一次在DAMTP喝茶時，從不怕挑起紛爭的史蒂芬抱怨起了這件事。“我很驚訝，”他說，“這些人（弦論學家）竟會如此眼光狹隘，不去認真探索宇宙是如何以及為什么變成這個樣子的。”[24]史蒂芬認為，要闡明大設計的奧秘，僅僅發現抽象的數學元法則是不夠的。對他來說，尋找統一的物理學理論與我們的大爆炸起源密不可分。他認為，如果我們認為它“僅僅”是另一個實驗室問題，終極理論的夢想是無法實現的，必須將其放在宇宙學演化的背景下研究才可以。在史蒂芬追求宇宙新繪景的過程中，數學只是他的仆人而非主人。因此，霍金同意人擇原理支持者的觀點，即更好地理解宇宙支持生命的特性很重要，而且在此過程中，單純的柏拉圖主義是不夠的，需要范式的轉變，需要我們對物理學的理解方式以及對宇宙的研究發生根本性的改變。[25]然而，他也越來越懷疑，人擇思路可能不是我們在發展過程中所需要的這一革命性轉變。他對人擇原理能否作為新宇宙學范式的一部分的主要擔憂并不只在于其定性的性質。生物學和其他歷史性的科學充斥著更為定性的預測。對他來說真正的問題是，人擇思路偏離了預言和證偽這樣一個科學的基本過程。

這一過程被奧地利裔英國科學哲學家卡爾·波普爾全面地討論過。波普爾認為，科學之所以成為獲取知識的唯一有效的方法，是因為科學家們在現有證據的基礎上，通過理性論證，一次又一次地達成共識。波普爾意識到，科學理論永遠無法被證明是正確的，但它可以被證偽，這意味著它可以被實驗反駁。但是——這是波普爾的關鍵點——這種證偽過程要成為可能，前提是我們需要理論上的假設來做出明確的預測，這樣如果發現相反的結果，那么理論的至少一個前提就會被證明不適用于自然。這是科學的運轉方式的核心所在，因為這種情況是不對稱的：確認一個理論預言可以支持但不能證明一個理論，而證偽一個預言即可以證明這個理論是錯誤的。在科學中，一個假設失敗的可能性總是隱隱存在，這也是科學前進的一個必備因素。

但人擇原理將這一過程置于一個不牢靠的基礎之上，因為人們關于是什么構成適宜生命居住的宇宙的個人標準為物理學注入了一種主觀因素，從而損害了波普爾的證偽過程。在多元宇宙中，你的人擇觀點可能會選擇適用這套法則的區域，而我的人擇偏好可能會選擇適用完全不同的法則的另一片區域。這樣一來，我們就沒有一個客觀的規則來斷定哪一個才是正確的了。

這與達爾文進化論大不相同，后者巧妙地避免讓任何類似人擇推理的東西進入生物學。外星生命不管存在與否，更不管其進化方式如何，在達爾文的理論中都沒有起到任何作用。達爾文主義也沒有允許我們挑選任何特定的物種在生物學事件中扮演特殊的角色，無論是獅子、智人還是其他物種。恰恰相反，達爾文主義植根于我們與生命世界其他部分之間的關系，并認可所有的互聯關系。達爾文的一個重大見解是，智人與生命世界中的其他一切共同進化。他在《人類的由來》中寫道：“我認為我們必須承認，即使是具備了所有高貴品質的人……在他的身體中仍然烙著他卑微出身的印記，這印記不可磨滅。”這與卡特在宇宙學中的人擇原理有著多么深刻的不同啊，后者運作于宇宙的自然演化之外，仿佛它是個脫離一切的附加物。

從關注證偽的波普爾主義的角度看，人擇多元宇宙與17世紀德國博學家戈特弗里德·萊布尼茨的宇宙論幾乎沒有什么不同。萊布尼茨在他的作品《單子論》中提出，存在無限多的宇宙，每個宇宙都有自己的空間、時間和物質，而由于全善的上帝的選擇，我們所生活的世界是所有可能的世界中最好的一個。

因此，科學界發現自身在人擇原理的價值這一點上一直存在分歧，這也是完全可以理解的。美國物理學家兼作家李·斯莫林在他批評弦論的精彩著作《物理學的困惑》中曾一針見血地指出：“一旦不可證偽的理論比其可證偽的替代者更受青睞，科學的進程就會停止，知識的進一步增長也不再可能。”這也是史蒂芬在辦公室和我第一次談話時所擔心的，人們一旦接受了人擇原理，就放棄了科學所擁有的基本的可預測性。

我們已經陷入了一個僵局。人擇原理的本意是在浩瀚的宇宙拼圖中確定“我們是誰”，并以此作為橋梁，將抽象的多元宇宙理論和我們作為這一宇宙的觀察者所獲得的經驗相連接。然而，它未能在維護科學實踐的基本原則的情況下做到這一點，這使得多元宇宙學不具有任何解釋能力。

這便帶來了一個引人注意的現象：總體上來說，自現代科學革命以來，在探索表觀上的大設計——它支撐了整個物理現實世界——的深層根源方面，我們竟然幾乎沒取得什么進展。誠然，我們現在對宇宙的膨脹歷史了解得非常詳細，我們了解了引力如何塑造了大尺度宇宙，我們也了解了尺度遠小于質子大小的物質的精確量子行為。這種對物理的詳細理解，雖說本身具有巨大的意義，但也更凸顯了深層的大設計之謎。宇宙為何如此適合生命居住的這個問題持續造成混亂，使科學界和公眾都陷入了分裂。在我們對生命世界的理解，以及對使生命成為可能的潛在物理條件的理解中，始終存在著一個深刻的、概念上的分歧。為什么在大爆炸時便已確定的數學定律最后卻適合生命生存？我們又應該從這一事實中領悟到什么？生命世界和非生命世界之間的裂痕似乎比以往任何時候都更深。

物理學家說，多元宇宙將一個悖論壓在了我們肩上。多元宇宙學的建立基于宇宙暴脹，即宇宙在極早期階段經歷了一次短暫的快速膨脹。一段時間以來，暴脹理論得到了大量的觀測支持，但它有一個令人為難的趨勢，即它并非產生了一個宇宙，而是產生了許多宇宙。因為它沒有說明我們應該在哪一個宇宙里——它缺少這些信息——所以該理論失去了對于我們應該看到什么的預言能力。這是一個悖論。一方面，我們對早期宇宙的最佳理論表明我們生活在一個多元宇宙中。而另一方面，多元宇宙又使這一理論失去了大部分的預言能力。

事實上，這并不是史蒂芬第一次面對這樣神秘的悖論。早在1977年，他就明確指出了一個與黑洞命運有關的類似難題。愛因斯坦的廣義相對論預言，對于任何落入黑洞的物質，幾乎所有關于它的信息都永遠隱藏在里面。但史蒂芬發現，量子理論為這一事件增加了一個悖論式的轉折。他發現，黑洞表面附近的量子過程會讓黑洞輻射出輕微但穩定的粒子流，包括光粒子。這種輻射——現在被稱為霍金輻射——太微弱，我們無法探測到，但它的存在本身就會帶來問題。[26]因為如果黑洞輻射能量，那么它必然會收縮并最終消失。當黑洞輻射出它最后一盎司的質量后，隱藏在里面的大量信息會怎么樣？史蒂芬的計算表明，這些信息將永遠丟失。他認為，黑洞就是一個終極垃圾桶。然而，這種情況與量子理論的一個基本原理相矛盾，即物理過程可以轉換和擾亂信息，但永遠不會不可逆轉地抹殺信息。于是我們又得出一個悖論：量子過程導致黑洞輻射并丟失信息，但量子理論認為這是不可能的。

與黑洞的生命周期有關的悖論，以及與我們在多元宇宙中的地位有關的悖論，成了過去幾十年中最令人煩惱和爭論最激烈的兩個物理學難題。它們關乎物理學中信息的本質和命運，因此觸及了關于物理理論最終是什么這一問題的核心。這兩個悖論都出現在所謂的半經典引力的背景下，這是由史蒂芬和他的劍橋小組在20世紀70年代中期開創的引力理論，它將經典理論和量子思想結合在了一起。當人們將這種半經典思想應用于極長的時間尺度（黑洞的情況）或極遠距離（多元宇宙的情況）時，就會出現悖論。這些悖論體現了當我們試圖讓20世紀物理學的兩大支柱——相對論和量子理論——協同運作時所產生的深刻困難。它們在這里就像一些令人費解的思想實驗，理論學家們通過這些實驗將他們關于引力的半經典思想推到了極致，以了解引力到底在何處以及如何失效。

思想實驗一直是史蒂芬的最愛。在放棄哲學之后，史蒂芬仍然喜歡探索一些深層次的哲學問題：如時間是否有開始，因果關系是不是根本，等等，還有最具野心的問題，即我們作為“觀察者”如何融入宇宙體系中。他通過將這些問題作為理論物理學中巧妙設計的實驗來探索它們。史蒂芬的三個標志性發現都來自精心設置的巧妙的思想實驗。第一個是他在經典引力框架下提出的一系列大爆炸奇點定理；第二個是他1974年在半經典引力框架下發現的黑洞輻射；第三個是他關于宇宙起源的無邊界設想，也是在半經典引力框架下。

現在，雖然有人可能認為黑洞悖論僅僅具有學術意義——因為霍金輻射的具體細節不太可能被測量到——但多元宇宙悖論則直接影響到我們的宇宙學觀測。這一悖論的核心在于現代宇宙學中生命世界和物理宇宙之間的關系令人擔憂。霍金想要通過發展對宇宙的完全量子視角來重新認識這一關系，而多元宇宙悖論成了他的燈塔。他的終極宇宙理論是一種徹底的量子理論，它重新描繪了宇宙學的基礎，是霍金對物理學的第四大貢獻。這個理論背后的宏大思想實驗在某種意義上已經進行了5個世紀，而我們即將踏上實現它的旅程。

[1] 勒梅特經常在筆記本的一頭寫下科學見解，在另一頭寫下宗教上的反思，并在中間留出幾頁空白，似乎是為了避免將科學和宗教混在一起。

[2] Fred Hoyle, “The Universe: Past and Present Reflections,”Annual Review of Astronomy and Astrophysics 20 (1982): 1–36.

[3] Steven Weinberg, “Anthropic Bound on the Cosmological Constant,” Physical Review Letters 59 (1987): 2607.

[4] 這個故事講的是，金發姑娘來到三只熊的家里，她先看到三碗粥，第一碗太燙了，第二碗太涼了，第三碗的溫度剛剛好。然后她又看到三張床，第一張太硬了，第二張太軟了，第三張的硬度剛剛好。后來，“金發姑娘”就被用來指程度剛剛好。——編者注

[5] Paul Davies, The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right for Life?(London: Allen Lane, 2006), 3.

[6] 這個片段是通過西里西亞的辛普利修斯傳給我們的，他在他對亞里士多德《物理學》的評論中引用了它。

[7] Galileo Galilei, Il Saggiatore (Rome: Appresso Giacomo Mascardi, 1623).

[8] 此話出自弗朗索瓦·阿拉戈。

[9] 保羅·狄拉克，引自Graham Farmelo, The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom (New York: Basic Books, 2009), 435.

[10] William Paley, Natural Theology; or, Evidences of the Existence and Attributes of the Deity, Collected from the Appearances of Nature (London: Printed for R.Faulder, 1802).

[11] 引自《物種起源》，達爾文著，苗德歲譯，譯林出版社（2013）。——編者注

[12] Charles Darwin, On the Origin of Species, manuscript, 1859.

[13] 涌現（emerge），又譯突現、呈展或演生，指系統內各組分相互作用而產生單個組分所沒有的性質與特點的現象。——編者注

[14] Stephen Jay Gould, Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History (New York: Norton, 1989).

[15] 1英里約為1.6千米。——編者注

[16] 查爾斯·達爾文，引自Charles Henshaw Ward, Charles Darwin: The Man and His Warfare (Indianapolis: Bobbs-Merrill, 1927), 297。

[17] Leonard Susskind, The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design (New York: Little, Brown, 2006).

[18] 具體來說，按照開普勒的設想，從太陽開始往外，依次是水星球面、正八面體、金星球面、正二十面體、地球球面、正十二面體、火星球面、正四面體、木星球面、立方體，最后是土星球面。

[19] 不管人擇原理這個名字意味著什么，卡特抑或其他人都不會認為它僅僅適用于人類。它關注的是更普遍的生存條件。關于這一想法的詳細綜述見John Barrow and Frank Tipler, The Anthropic Cosmological Principle(Oxford: Oxford University Press, 1986)。

[20] 選擇偏倚指被選擇到研究樣本中的對象同未進入樣本中的對象之間存在著特征上的差異，從而影響研究結果代表性的現象。——譯者注

[21] Andrei Linde, “Universe, Life, Consciousness” (lecture, Physics and Cosmology Group of the“Science and Spiritual Quest”program of the Center for Theology and the Natural Sciences [CTNS], Berkeley, Calif., 1998).

[22] 史蒂文·溫伯格，Living in the Multiverse，2005年9月在劍橋大學三一學院舉行的“終極理論之期”研討會上的演講，并發表于Universe or Multiverse?, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007)。

[23] Nima Arkani-Hamed, “Prospects for Contact of String Theory with Experiments” (lecture, Strings 2019, Flagey, Brussels, July 9–13, 2019).

[24] 霍金在他的演講“自上而下的宇宙學”中重復了這一點（lecture, Davis Meeting on Cosmic Inflation, University of California, Davis, March 22–25,2003）。

[25] 美國科學哲學家托馬斯·庫恩在《科學革命的結構》一書中解釋說，當現有科學運作所依托的主要范式與新的現象無法相容時，就會出現范式的轉變。人們可能會想知道，在21世紀初出現，讓人們呼吁宇宙學變革的“新現象”到底是什么。我相信，其中主要是20世紀90年代末天文學觀測到的加速膨脹現象。這些觀測與弦論中的新理論思想相結合，印證了物理定律適宜生命存在的巧合性。

[26] 20世紀70年代中期，霍金與他的學生伯納德·卡爾合作，推測緊跟在熱大爆炸后，可能有小黑洞存在。這種原初黑洞將會更熱，輻射速度也會更快。事實上，那些大約1015 克的黑洞——就好比把一座山的質量集中在一個質子的大小上——的數量會在當前的宇宙中激增。令史蒂芬非常失望的是，人們還沒有探測到這樣的增長。