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20世纪70年代，人们曾有一个终结物理学的简单梦想，即创立一个统一的理论，使其包含量子理论、广义相对论以及我们已知的各种粒子和力。这将不仅是一个万物理论，而且独一无二。我们会发现只有一个数学上自洽的量子理论可将基本粒子物理和引力统一起来。也许只有一种正确理论，我们本来是有可能创立这种理论的。因为该理论的独特性，它将没有自由参数，也没有可调质量或电荷。因为如果有参数需要调整的话，这个理论就会有不同的版本，也就不是唯一的了。只有普朗克尺度可用来衡量一切。该理论能够把任何实验的结果计算到想要的任何精确度。我们会计算电子、质子、中子、中微子和所有其他粒子的质量，并且结果将与实验完全相符合。
这些计算必须解释所观察到的粒子质量的某些非常奇怪的特征。例如，为什么质子和中子的质量在普朗克尺度上如此之小？它们的质量仅仅约为10 -19 普朗克质量。如此之小的数字从何而来？它们是如何从没有自由参数的理论中产生的呢？如果空间的基本原子有普朗克尺度，那么我们就可预测基本粒子有相似的尺度。质子和中子比普朗克质量轻近20个数量级的事实似乎很难理解。但是因为这个理论是独一无二的，所以必须做到这一点。
弦理论创立的本意是希望它能成为最终的理论。弦理论潜在的独特性也使它具有研究价值，即使很明显它不会很快得到对粒子质量的预测，或者任何可以通过实验测试的结果。毕竟，如果真是一种独特的理论，它就不需要实验来验证，只需要证明它是一种数学上自洽的理论即可。一个独特的理论必须通过实验自动被证明是正确的，因此，对这个理论的检验是否需要几个世纪的时间是无关紧要的。如果我们接受这样一个假设，即存在一个独特的理论，就应该将精力集中于测试该理论的数学自洽性问题，而不是开发用于测试该理论的实验。
但问题在于，弦理论实际上并不是独一无二的。相反，它有大量的版本，并且每个版本都可达到数学自洽。从我们今天的观点来看，如果只考虑公开的结果，那么期望得到一种独特的正确理论将会是一个错误。在当前的弦理论语言中，我们还没有办法把任何一种理论从其他理论中挑选出来，因为所有分支理论都可达到数学自洽。并且，其中许多参数都是可以根据实验结果进行调整的。
回顾过去，很明显，一个独一无二的统一理论只不过是一个假设。没有任何数学或哲学原理可以保证只有一个数学上自洽的自然理论。事实上，我们现在知道不可能有这样的理论。例如，假设世界有一个或两个空间维度，而不是三个。鉴于此，我们构建了许多自洽的量子理论，其中包括一些涉及引力的理论，这些为各种研究项目做足了热身准备。把这些理论当作实验室，在该实验室中，我们能够在一个可以计算任何需要的东西的环境中测试新想法。不过，只有一种可能自洽的理论来描述具有两个以上空间维度的世界，这是非常可能的。但目前还不清楚为什么会这样。在没有任何相反证据的情况下，有许多描述一维和二维宇宙的自洽理论的事实使我们怀疑数学自洽性本身只允许一种自然理论的假设。
当然，还有一种可能，那就是弦理论并非最终理论。除了弦理论有很多版本之外，还有很好的理由让我们相信这一点：因为弦理论依赖于背景，它只能通过某种近似方案来理解。一个基本的理论需要背景独立，并且能够被精确地表述出来。因此，大多数研究弦理论的人现在都相信我在第11章中描述的M理论猜想：有一种理论，它可以精确地、以一种独立于任何给定时空的方式写下来，并且可成功统一所有不同的弦理论。
这里有一些证据支持M理论猜想。许多物理学家，包括我自己，现在正试图构建这个理论。这里似乎有三种可能性：
1．正确的自然理论不是弦理论。
2．M理论的猜想是错误的：没有统一的弦理论，但是众多版本中的某一个会做出与实验一致的预测。
3．M理论的猜想是正确的：有一个单一的统一理论，然而，它预测世界可能以许多不同的物理阶段出现，并且在这些阶段，自然法则似乎是不同的。我们的宇宙就是其中之一。
如果可能性1是正确的，那么我们所能做的就是把弦理论的故事作为一个警戒传说。抛开这个可能性而看其他的，如果可能性2是真的，那么我们将面临一个难题：究竟是什么或谁选择了那个适用于我们的世界的理论？在各种可能的自洽理论中，如何选择一个适用于我们的宇宙的理论？
这个问题似乎只有一个可能的答案。宇宙之外的东西做了选择。如果事情就是这样发展的，那么这一点会让科学转变为宗教。或者，更确切地说，用科学来论证宗教将是合理的。在神学领域，以及从某些科学家那里，我们已经听到了很多相关论述，即基于我们称之为人类观察（anthropic observation）的讨论。我们生活的宇宙似乎很特别，要使宇宙存在数十亿年并孕育出生命，就必须满足某些特殊条件：基本粒子的质量和基本力的强度必须与我们实际观察到的值非常接近。如果这些参数超出了某些狭窄的界限，宇宙就将不适合生命生存。这就提出了一个合理的科学问题：既然可能存在不止一个自洽的法则，为什么自然法则的参数恰好会落在生命所需的狭窄范围内呢？我们可以称之为人类问题（anthropic question）。
如果有不同的自洽的自然法则，但没有统一它们的框架，那么人类问题只可能有两种答案。其一，我们确实很幸运。其二，法则规定的任何实体都是为了生命的出现和存在。在这种情况下，我们有一个关于宗教的争论。这个争论是被神学家所熟知的“夹缝中的上帝”的争论的一个版本。如果科学提出了一个像人类为何会出现这样的问题，而这个问题不能通过遵循自然法则的过程来回答，则人们有理由求助于上帝这样的外部存在。这一观点的科学版本被称为强人择原理（strong anthropic principle）。
请注意，只有在除非通过调用宇宙之外某个实体的行为，否则没有办法解释自然法则是如何被选择的情况下，这个论证才有效。大家可能还记得我在这本书的开头强调的原则：宇宙之外没有任何东西。只要有一种不违反这一原则的方法来回答所有的问题，我们就是在做科学研究，就不需要任何其他的解释方式。因此，只有在没有其他可能性的情况下，强人择原理的论证才具有逻辑力量。
但还有另一种可能性，即可能性3。虽然有点像可能性2，但可能性3与可能性2之间有一个重要的区别。如果不同版本的弦理论描述了一个理论的不同阶段，那么在适当的情况下，宇宙就有可能从一个阶段过渡到另一个阶段。就像冰融化成水一样，宇宙可以从一个由弦理论描述的阶段“融化”为另一个由其他弦理论描述的阶段。但我们仍然有一个问题，为什么是这一个阶段描述了我们的宇宙，而不是另一个？这并不难解决，因为在这幅图景中，宇宙被允许随着时间的推移而改变。也有可能宇宙的不同区域以不同的阶段的形式存在。
考虑到这些可能性，至少有两种方法可以替代“夹缝中的上帝”的观点。其一，有一个过程创造了许多宇宙。现在我们不必担心这个过程是什么，因为宇宙学家已经找到了几种有吸引力的方法来创造一个不断更新的宇宙。大爆炸不是所有存在的事物的起源，而是一种相变。通过这种相变，在一个不同于原来的相的地方，一个新的空间和时间区域被创造出来，然后冷却和膨胀。在这种情况下，可能会有许多大爆炸，会产生许多宇宙。天体物理学家马丁·里斯（Martin Rees）对此起了一个好听的名字，他将整个系列称为“多元宇宙”（multiverse）。这个过程有可能以随机的相创造宇宙，每一个都由不同的弦理论控制。这些宇宙将有不同的维度和几何结构，也将有不同的基本粒子集合，这些粒子根据不同的定律相互作用。如果存在一个可调参数，那么每次创建一个新宇宙时，它都可能是随机设置的。
所以有关人类的问题有一个简单的答案。在所有可能存在的宇宙中，少数将拥有适合生命存在的法则。既然我们还活着，我们的宇宙自然就是其中之一。既然有很多的宇宙，我们就不必担心这些宇宙都不太适合生命存在，因为它们中至少有一个非常适合。那就没什么好解释的了。马丁·里斯如是说：如果有人在路边发现了一个包，里面装着一套非常适合他的衣服，那就太奇怪了。但如果一个人走进一家服装店，找到一套适合自己的衣服，那就没什么神秘的了，因为店里有很多不同尺码的衣服。我们可以称之为夹缝中的上帝，或者是弱人择原理（weak anthropic principle）。
这种解释的唯一问题是，很难看出它如何能被驳斥。只要你的理论可以产生大量的宇宙，你只需要找出至少一个像我们地球这样的宇宙即可。除了做出至少存在一个像地球这样的宇宙的预测之外，这个理论没有做出其他任何预测。但是我们已经知道了，所以没有办法反驳这个理论。这可能看起来不错，但实际上并非如此，因为一个无可辩驳的理论不能真正成为科学的一部分。它不能承载太多的解释力，因为无论我们的宇宙有什么特征，只要它能被众多的弦理论之一所描述，这个理论就无法被反驳。因此，它不能对我们的宇宙做出新的预测。
是否可能有一种理论对人类问题给出科学的答案？这样的理论可能是围绕着宇宙可以从一个相到另一个相进行物理转换的可能性来构建的。如果能回溯到宇宙大爆炸之前的历史，我们可能会看到一个或一系列不同的相，其中宇宙有不同的维度，并似乎满足不同的规律。大爆炸将只是宇宙经历的一系列转变中最近的一次。即使每个相都可能被一个不同的弦理论所控制，整个宇宙的历史也会被一个单一的M理论所控制。然后，我们需要从物理学的角度来解释为什么宇宙“选择”以这样一个相存在。比如我们存在的这个相，成功存在并延续了数十亿年，并且孕育出了生命。这里有几种不同的解释，在我的另一本书《宇宙的生命》中有详细的描述，所以在这里我只简单介绍一下。
其二，新的宇宙可以在黑洞内部形成。在这种情况下，我们的宇宙将会有大量的子代，因为它至少包含10 18 个黑洞。人们也可以推测，从旧宇宙到新宇宙的规律变化是很小的，因此重新形成的每个新宇宙的规律都与我们现存宇宙的规律很接近。这也意味着宇宙中新形成的规律与我们自己的规律没有太大的不同。有了这两个假设，一种类似于自然选择的机制就开始发挥作用，因为经过许多代之后，那些产生许多黑洞的宇宙将主宰宇宙的数量。该理论预测，一个随机选择的宇宙会比那些参数值略有不同的宇宙产生更多的黑洞。然后我们可以讨论，我们的宇宙是否满足这个预测。长话短说，到目前为止情况似乎就是这样。原因是碳化学不仅对生命有益，而且在形成大质量恒星并最终形成黑洞的过程中起着重要作用。然而，有几个可能的观测结果证明这个理论是错误的。因此，不同于“夹缝中的上帝”及其理论，这个理论很容易被反驳。当然，这就意味着它很可能被推翻。
这个理论的重要之处在于，它表明除了强人择原理和弱人择原理之外，还有其他的可能性。如果是这样，那些原理就没有逻辑力量了。除此之外，宇宙自然选择理论（cosmological nature selection）表明，物理学可以从生物学中学到关于科学解释方式的很多东西。如果我们想坚持自己的原则，即宇宙之外没有任何东西，则必须拒绝任何一种由一个外部存在给宇宙强加秩序的解释方式。有关宇宙的一切，必须且只能通过物理定律如何在其整个历史进程中起作用来进行解释。
生物学家已经就这个问题探讨了150多年，他们非常了解各种不同的机制的力量。通过这些机制，一个系统可以自我组织，其中包括自然选择，但这并不是唯一的可能性。最近人们发现了更多的自组织机制，其中包括自组织的批判现象，由佩尔·巴克（Per Bak）和他的合作者发现，并被许多人研究。理论生物学家斯图尔特·考夫曼（Stuart Kauffman）和哈罗德·莫罗维茨（Harold Morowitz）等人也研究过自组织的其他机制。因此，我们无法在此背景下考虑自组织机制的不足。这给我们的教训是，如果宇宙学要成为一门真正的科学，它就必须避免用外部存在来解释事物的本质。它必须从自己的角度来理解宇宙，就像地球的生物圈从化学反应开始，经过数十亿年的发展而形成一样。
把宇宙想象成类似于生物圈或生态系统的存在，可能看起来奇幻至极，但以自组织过程的力量创造一个极其美丽和复杂的世界的过程，却是我们所拥有的最好实例。如果要认真对待这一观点，我们应该问，是否有证据支持这一观点？宇宙的任何方面以及支配它的法则都需要用自组织机制来解释吗？我们已经讨论了其中的一个证据，那就是人类观察：基本粒子质量和基本力强度的明显不可能值。我们可以估计出，如随机选择基本粒子和宇宙学的标准理论中的常数，就可能产生一个碳化学的世界。这个概率小于1/10 220 。但如果没有碳化学作用，宇宙形成大量质量足够大的恒星从而形成黑洞的可能性就会大大降低，生命也不太可能存在。这是一些自组织机制的证据，因为所谓的自组织系统就是一个能够从普遍配置进化到特殊配置的系统。因此，我们能给出的最好的论证是，这样一种机制在过去起过作用的话，它必须包含两个部分：其一，系统以某种极不可能的方式构建；其二，外部的任何行动都不能将组织强加给系统。在我们的宇宙中，我们把第二部分作为一个原则。然后，我们满足了这两方面的论证，并证明寻找自组织机制来解释为什么自然法则中的常数被如此不可能地选择是合理的。
但同样的结论还有更好的证据。它就在我们面前，如此熟悉以至于一开始很难理解它也是一个巨大的非概率结构。这就是空间本身。一个简单的事实是，世界由一个三维空间组成，这个空间在几何上几乎就是欧几里得空间，它向四面八方延伸出巨大的距离，这本身其实是一种极不可能的情况。它可能看起来很荒谬，但之所以这样，是因为我们在精神上已经非常依赖牛顿的世界观。因为宇宙的安排有多大的可能性是无法事先回答的，而是取决于我们对空间的理解。在牛顿的理论中，我们假设世界处在一个无限的三维空间中。在这个假设下，我们感知周围的三维空间向各个方向无限延伸的概率是百分之百。当然我们知道空间不完全是欧几里得的，只是近似的。在大尺度上，空间是弯曲的，因为引力会使光线弯曲。由于这直接与牛顿理论的预测相矛盾，我们可以推断，牛顿理论错误的可能性是百分之百。
在爱因斯坦的时空理论中提出这个问题有点难，因为这个理论有无数的解。在许多解中，空间是近似平滑的，但在另外那些解中，空间是不平滑的。考虑到每个例子的数量都是无限的，如果随机选择一个解，那么要问产生的宇宙近似三维欧几里得空间的可能性有多大并不容易。
在量子引力理论中，这个问题却比较容易提出。要提出这个问题，我们就需要一种不假设空间存在任何经典的背景几何的理论形式。圈量子引力理论就是一个例子。正如第9章和第10章中解释的那样，空间有一个原子结构，并且可以用罗杰·彭罗斯发明的自旋网络来描述。正如我们所了解到的，空间几何每个可能的量子态都可以被描述为一幅图（如图10-2到10-5所示）。然后我们可以提出这些问题：这样一个图表示空间的几何形状的可能性有多大？像我们这样生活在一个比普朗克尺度大得多的尺度上的观察者，会认为它是一个近似欧几里得几何的三维空间吗？自旋网络图上的每个节点对应的体积大概是普朗克长度的三次方。那么每立方厘米就有10 99 个节点。宇宙至少有10 27 厘米大小，所以它至少有10 180 个节点。空间看起来像一个近似平滑的欧几里得三维空间的可能性有多大，这个问题可以这样陈述：一个有10 180 个节点的自旋网络有多大可能代表一个平滑的欧几里得几何？
答案是，非常不可能！这里有一个类比来帮助我们理解其可能性有多小。为了表示一个明显平滑的、更少特征的三维空间，自旋网络必须有某种规则的排列，就像晶体。欧几里得空间中的任何位置都没有什么区别于其他位置的特别之处。对于这样一个空间的量子描述，至少在一个很好的近似值上也是如此。这样的自旋网络一定是类似于金属的。金属看起来很光滑，是因为它的原子是规则排列的，从而由包含大量原子的近乎完美的晶体组成。所以我们问的问题类似于宇宙中所有原子像金属一样排列成晶体结构，并从宇宙的一端延伸到另一端的可能性有多大。自然，这是极不可能的。但是每个原子内部大约有10 75 个自旋网络节点，所以它们都有规律排列的概率小于1/10 75 。
不过这也有可能是被低估了，可能性并不是那么小。有一种方法可以确保宇宙中所有的原子都排列在一个完美的晶体中，那就是将宇宙冻结到绝对零度，并使其压缩，使其密度大到足以使氢气形成固体。所以，也许代表世界几何的自旋网络是有规律地排列的，因为它是冻结的。
我们可以讨论一下这种可能性有多大。我们可以推断，如果宇宙完全是偶然形成的，它的温度处于最高可能温度的合理部分。最高可能温度是气体所具有的温度，其每个原子的质量和普朗克质量一样并且以相当于光速的速度运动。原因是如果温度超过了普朗克温度，分子就会坍缩成黑洞。现在，为了让空间中的原子有一个规则的排列，温度就必须远远小于这个最高温度。事实上，宇宙的温度是普朗克温度的10 -32 倍。一个随机选择的宇宙，达到这个温度的概率小于1/10 32 。所以，我们得出的结论是，宇宙如此寒冷的可能性非常小。
无论我们以何种方式进行估算，都会得出这样的结论：如果空间确实有一个离散的原子结构，它的原子就极不可能具有我们所观察到的那种完全平滑和有规律的排列属性。这确实需要解释。如果不是某个外部存在选择了宇宙的态，那么一定存在某种自我组织的机制在过去起作用，将世界推向了这种难以置信的态。宇宙学家研究这个问题已经有一段时间了。有人提出了一种解决办法叫膨胀机制（inflation）。通过这种机制，宇宙可以以指数级速度快速膨胀，直到它变成我们今天所观察到的平滑的、近似欧几里得几何的宇宙。膨胀理论解答了部分问题，但它本身需要某些不太可能具备的条件。要使膨胀发生作用，宇宙必须在至少是普朗克尺度10 5 倍的尺度上保持平滑。而且据我们所知，膨胀至少需要两个参数的微调。其中之一是宇宙常数，它必须比量子引力理论中的自然值的10 -60 还小。另一个是某种力，在许多膨胀理论的版本中，这个力不能超过10 -6 。最终的结果是，要使膨胀起作用，我们需要一种可能性不超过10 -81 的情况。即使我们不考虑宇宙常数，我们仍然需要一个概率不超过10 -21 的情况。因此，膨胀理论可能是答案的一部分，但它不可能是完整的答案。
在比普朗克尺度大得多的尺度上，能够让空间看起来非常平滑和有规律的这种自组织的方法有可能成立吗？这个问题激发了最近的一些研究，但到目前为止还没有明确的答案。但如果我们要避免诉诸宗教，那么必须找到这个问题的答案。
空间最不可能、最令人费解的方面就是它的存在。我们生活在一个表面光滑、规则的三维世界这一简单事实，代表了发展中的量子引力理论面临的最大挑战之一。如果你环顾世界想寻找神秘现象，你可能会想到，最大的神秘现象之一就是我们生活在一个可以环顾四周、想看多远就能看多远的世界。量子引力理论的伟大胜利可能就是向我们解释为什么会这样。如果不是，那么那个说上帝就在我们周围的神秘主义者会证明他是对的。但其实，即使我们对空间的存在找到一种科学解释，并消除这样一个有神论的神秘主义者的船帆上的风，仍会有一些神秘主义者鼓吹：上帝才是宇宙整体自组织的力量。在任何一种情况下，量子引力理论能给世界的最大礼物就是重新认识到世界的存在是一个奇迹，并提供一种新的信念，这种新的信念至少可以帮助我们理解这个谜团的一些微小方面。