第三章

科学理论的本性

为了谈论宇宙的本性，并且讨论诸如它是否有起始或终结的问题，你必须弄清楚什么是科学理论。我们将要采用朴素的观点，即理论只不过是宇宙或者它受限制的一部分的一个模型，以及一组规则，这组规则把这个模型中的量和我们进行的观测相联系。它只存在于我们的头脑中，而不具有任何其他真实性（不管其含义如何）。如果一个理论满足如下两个要求，即是一个好理论。在一个只包含一些任意要素的模型基础上，该理论应能精确地描述大量的观测，而且它还应能明确预言未来的观测结果。例如，亚里士多德相信恩贝多克的理论，万物都是由4种元素：土、气、火和水组成。这是足够简单了，但是它不能够做出任何明确的预言。另一方面，牛顿引力论基于更简单的模型，在该模型中物体相互吸引，其吸引力和称做它们质量的量呈正比，和它们之间的距离的平方呈反比。然而牛顿引力论以很高的精确度预言了太阳、月亮和行星的运动。

任何物理理论都只不过是一个假设，在这个意义上，它只能是暂时的：你永远不能证明它。不管实验的结果多少次和某种理论相一致，你永远不能断定下一次的结果不和该理论相冲突。另一方面，一旦找到哪怕一个单独的和理论预言不一致的观测，就足以将该理论证伪。正如科学哲学家卡尔·波普强调过的，一个好的理论应以下面的事实为特征：它做出一些在原则上可被观测证伪的预言。每一回观察到和预言相一致的新实验，则该理论存活，而我们就增大对它的信赖；但是一旦发现和预言不一致的新观测，我们就必须抛弃或者修正该理论。

人们认为这迟早总会发生，但是你总可以质疑进行该观测人员的能力。

在现实中经常发生的是，设计出的新理论实际上是原先理论的一个扩展。例如，非常精确地观测水星，发现它的运动和牛顿引力论的预言之间有一个微小的差异。爱因斯坦的广义相对论预言了和牛顿理论预言稍微不同的运动。爱因斯坦的预言和观测到的相符合，而牛顿理论做不到，这一事实是对新理论的一个关键性的证实。然而，因为在我们正常处理的情形下，牛顿理论和广义相对论的预言之间差异非常微小，所以在所有实用的场合，我们仍然使用牛顿理论。（牛顿理论还有一个巨大的优势，用它计算比用爱因斯坦理论简单多了！）

科学的终极目的是提供一个描述整个宇宙的统一理论。然而，大多数科学家实际采取的手段是把问题分成两部分。首先，存在告诉我们宇宙如何随时间变化的定律。（如果我们知道宇宙在任一时刻的状态，这些物理定律就告诉我们它在未来任何时刻的状态。）其次，存在宇宙初始状态的问题。有些人觉得科学只应该关心第一部分；他们将初始状态的问题看做玄学或者宗教的事体。他们会说，无所不能的上帝可以随心所欲地启始宇宙。那也许是真的，但是在那种情形下，上帝还可以使宇宙以完全任意的方式发展。然而，似乎上帝决定让它根据一定的定律，以一种非常规则的方式演化。所以似乎可以同等合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。

从原子到星系

毕全功于一役地设计一种能描述宇宙的理论，实际上是非常困难的。换一种方法，我们可将这个问题分成一些小块，并发明一些部分理论。其中每一种部分理论描述并预言某些有限种类的观测，而忽略其他的量的效应，或者将这些效应用简单的数的集合来代表。这样的方法也可能完全错了。如果宇宙中任何事物都以一种基本的方式依赖于其余事物，用隔离法来研究问题的部分也许不可能接近完整的答案。尽管如此，我们过去正是用这种方法取得进展。最好的例子仍然是牛顿引力论，它告诉我们两个物体之间的引力只依赖和每个物体相关的一个数，即它的质量，但和物体的构成无关。这样，我们为了计算太阳和行星的轨道，不需要它们的结构和成分的理论。

当今科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是20世纪上半叶伟大的智慧成就。广义相对论描述引力和宇宙的大尺度结构，也就是从仅仅几英里到大至1亿亿亿（1后面跟244个零）英里的可观测宇宙的结构。另一方面，量子力学处理尺度极端微小的，比如一万亿分之一英寸（1英寸=2.54厘米）的现象。然而不幸的是，人们知道，这两个理论不能相互协调——它们不可能都正确。当今物理学的一个主要抱负，以及本书的主要论题，便是寻求一种把两者结合在一起的新理论——量子引力论。我们还没有获得这个理论，寻找它的路途也许还相当遥远，但是我们已经知道它必须具有的许多性质。我们在后面的章节中将会看到，关于量子引力论应做出的预言，我们已经知道得相当多了。

现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是被明确的定律制约的，你最终必须把部分理论结合成一个完备的统一理论，它描述宇宙中的万物。但是，在寻找这样一个完备的统一理论时，存在一个基本矛盾。在上述有关科学理论的思想中，假定我们是理性的生物，可以随心所欲地观测宇宙，并且从看到的事物中得出逻辑结论。在这样的方案中可以合理地假定，我们可能不断地趋近制约我们宇宙的定律。然而，如果的确存在一个完备的统一理论，它也很可能决定我们的行动——于是，理论本身会决定我们寻求它的结果！而为什么它必须决定我们从这些证据得到正确的结论？难道它不会同样地决定我们得出错误的结论吗？或者根本没有结论？

对于这一诘问，我们仅能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理之上的。其思想是，在任何自我繁殖的有机组织群体中，不同个体的遗传物质和成长存在变异。这些差别意味着，某些个体比其他个体更能得出有关它们周围世界的正确结论并相应地行为。这些个体就更可能存活并繁衍，这样他们的行为和思想模式就会处于优势。下面这一点在过去肯定是真的，我们称做智慧和科学发现的东西传递存活的优势。这种情况是否仍然如此，就不清楚了：我们的科学发现可以轻而易举地把我们所有人都消灭掉，而且即使它们没有这样，一个完备的统一理论对我们存活的机会并没有多大影响。然而，假如宇宙以规则的方式演化至今，我们可以预料，自然选择赋予我们的推理能力，对于我们寻找完备的统一理论方面也会有效，因此，这样就不会误导我们去得到错误的结论。

因为我们已经拥有的部分理论，对除了最极端之外的所有情形都可以做出精确的预言，为了实用的原因，似乎没有太多的理由去寻求宇宙的终极理论。（值得注意的是，虽然类似的议论也可以用来反对相对论和量子力学，然而这些理论给我们既带来了核能，又带来微电子学革命。）因此，发现完备的统一理论也许无助于我们人种的存活。它甚至对我们的生活方式毫无影响。但是自从文明肇始以来，人们总是不满足于把事件视做互不相关和神秘莫测的。我们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为何在此，以及我们从何而来。哪怕仅仅出于人类对知识的最深切渴求，我们就应该继续探索。而我们的目标不多不少，正是完整地描述我们生活于其中的宇宙。