下篇 霍金到底知道什麼 第六章 什麼是實在？曆史、宇宙是單一的嗎
什麼是實在
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托勒密早在公元150年左右就提出描寫星體運動的模型，這確實是一個不同凡響的著名例子。托勒密的研究發表在一部長達13冊的眾所周知的論文——《天文學大成》上，詳細地解釋了為什麼會認為地球是一個球形並且靜止的宇宙中心，它的大小和星空的距離相比是小到可以忽略不計的。
後來的阿裏斯塔克也提出了日心模型，從亞裏士多德時代開始，大多數希臘有教養的人都信仰地球就是宇宙的中心。在托勒密模型中，地球是個靜止的球體，而其他的行星和恒星圍繞著它進行著非常複雜的軌道運行，也就是周轉圓來運行的。
由於人們從來沒覺得腳下的地球是在運動著的（除了地震或者激情澎湃的時刻），所以托勒密的這個模型在當時看來無疑就是自然的、正確的。而由於後來發展起來的歐洲科學源於傳承下來的古希臘科學，是以其為基礎發展起來的，於是亞裏士多德和托勒密的觀念就成為了大多數西方思想的基礎。而托勒密的宇宙模型更是被天主教會用來當做正式的教義長達14個世紀之久。而一直到1543年，才有了哥白尼在他的著作《天體運行論》中提出的另外一個模型。雖然哥白尼早已經花了幾十年來徹底研究他的理論，但該書還是在他逝世的那年才得以正式出版。
和大約早他17世紀的阿裏斯塔克一樣，在哥白尼的模型中，將太陽描寫成了處於靜止的狀態，而行星則以圓周軌道圍繞著它運轉。盡管這個思想並不算是新穎的，但是這種思想的再次出現卻依舊遭到了當時社會激烈的抵製。哥白尼的模型被認為和《聖經》相抵觸，盡管《聖經》從未清楚地說明行星是圍繞著地球運動的。
而自從柏拉圖以來的哲學家們長期都在爭議著實在的性質這一問題。經典科學便是基於這樣的一個信念：存在一個真實的外部世界，其性質是確定的，並與感知它們的觀察者無關。根據經典科學可以知道，物體存在並擁有著諸如速率和質量等物理性質，同時這些性質還具有明確定義的值。在經典科學的觀點裏，我們的理論是試圖去描述那些物體和其具有的性質，並且將我們測量到的結果和我們的感覺與之對應。但因為無論是觀察者還是觀察的對象都是客觀存在於世界上的部分，因此它們之間具有的任何區別都是毫無意義的。換言之，就是如果你看到一群斑馬在停車場爭奪一塊地方，那是因為真的有一群斑馬在停車場爭奪那個地方。所有其他正在看的觀察者都會測量到同樣的性質，同時不管是不是有人在看著這群斑馬，這群斑馬都具有那些性質，這便是在哲學中被稱為實在論的信仰。
或許實在論確實是一個十分誘人的觀點，但正如我們將在下麵看到的一樣，一旦我們運用了有關現代物理的知識，那麼就會使得所有為實在論而進行的辯護變得十分困難。例如，根據精確描述自然的量子物理原理，除非並且直到一個粒子的位置或速度被一位觀察者測量，這個粒子還是既不擁有明確的位置也不擁有明確的速度。因此說測量之所以給出一定的結果，是因為被測量的量在測量的那個時刻具有那個值是錯誤的。事實上，在某種情形下，單獨的物體甚至並沒有獨立地存在，而僅僅是作為眾多係統中的部分而存在著。並且如果一旦一種被稱為全息原理的理論被我們證明是正確的話，那我們以及我們所處的四維世界很可能隻是一個更大的五維時空在邊界上的影子。在那種情形下，我們在宇宙中的地位就有點兒類似於魚缸中的金魚。
製造模型不僅在科學中需要，在我們的日常生活中也往往需要。依賴模型的實在論不僅適用於科學模型，還適用於我們所有人為了解釋並理解日常世界而創造的有意識或者下意識的心理模型。我們沒辦法將觀察者，即我們自己從我們對於世界的認識中完全排除掉，而認識是通過感覺過程以及思維和推理方式產生的，因此在我們的理論中，以我們的認識為基礎而展開的一係列觀測並不是直接的，而是由一種類似透鏡的事物塑造而成的。
我們感覺對象的方式對應著依賴模型的實在論。在視覺中，人們的大腦從視覺神經接收一係列信號，但那些信號並不會直接就構成我們從電視那裏接收的那類圖像。在視覺神經連接視網膜之處有一個盲點，還有人眼的視場具有高分辨率的部分僅處於視網膜中心周圍大約1度的狹窄視角中，這個範圍的角度就和我們伸出手臂時大拇指的寬度一樣，因此送入我們頭腦中的未加工的數據就是中間有個洞的模樣古怪的圖像。幸運的是，人腦可以很好地處理這樣的數據，將兩隻眼睛的輸入結合在一起，假定鄰近位置的視覺性質類似，再填滿縫隙並應用插入技術。此外，大腦從視網膜讀到二維的數據排列並由它創生三維空間的印象。換言之，大腦建立心理圖像或模型。
在建立模型方麵，我們的大腦是如此稱職，如果我們配上了一種能將眼睛之中的圖像上下顛倒的眼鏡，我們的大腦就會在短短的一小段時間後改變模型，讓我們能夠再次看到在正確方向上的東西，而之後摘下眼鏡的話，雖然在一段時間內我們看到的世界會是上下顛倒的，但不久之後，我們的大腦就會再一次適應。這表明，當一個人說“我看到一把椅子”的時候，他的意思僅僅是他利用椅子散射出來的光建立了一個椅子的心理圖像或模型。如果模型上下顛倒，那麼在他坐到椅子上去之前，他的腦子就會改正那個模型。
依賴模型的實在論解決和避免的另一個重要的問題是存在的意義。假如我們走出了房間而看不見桌子，那麼我們何以得知那張桌子仍然存在呢？這樣說來，那些我們看不見的東西，例如電子或者是構成質子和中子的那種名叫誇克的粒子的存在是什麼意思呢？人們可以擁有模型，在該模型中，當人離開的時候，桌子就消失了，而當人再返回的時候，桌子又會在同一個位置上出現，而這無疑是十分笨拙的。並且如果人在外麵時，房間內發生了一些事情，比如說天花板落下怎麼辦呢？在人離開房間時桌子消失的模型下，能夠解釋下次進入的時候在天花板碎片之下損毀的桌子重現的事實嗎？相比之下，桌子留在原地不動的模型顯得要簡單許多，並與觀測相符，這就是人們能夠接受的事情。
1897年，英國物理學家J.J.湯姆孫在劍橋大學的卡文迪許實驗室發現了電子。他是利用在真空玻璃管中的電流來進行實驗的，在現在，我們將他所做的這個實驗稱之為陰極射線現象。在實驗裏，他得出了一個大膽的結論：神秘的射線其實都是由更加微小的“微粒”構成，同時這種微粒還是構成原子的物質。在當時，原子還被認為是物質不可分割的最小單位。雖然湯姆孫並沒有能夠真正地看到“電子”，並且他的實驗也沒有直接、清晰地證明他的觀測，但在所有的從基礎科學到工程的應用中，湯姆孫證明的這個模型都是十分關鍵的，直到現在，世界上所有的物理學家都確信電子存在，即從來沒有人能真正的見過它。
依賴模型的實在論還能夠為討論我們下麵的這些問題提供一個框架：如果世界是在有限的過去誕生的，那麼在世界誕生之前究竟發生了什麼？一位早期的基督教哲學家聖·奧古斯丁說，這個問題的答案不是上帝正為問這個問題的人們準備地獄，而是時間本身就是上帝創造的世界的一個性質，時間在世界誕生之前並不存在，他還相信宇宙誕生發生於過去並沒有那麼久的時刻。這是一個可能的模型。盡管在世界上存在許多證據能夠證明地球的年齡十分的古老，（它們被放在那裏是用來愚弄我們的嗎？）但那些堅持創世紀中的敘述是真實的人非常認同和喜歡聖·奧古斯丁提出的這個模型。此外，人們還擁有著一個不同的模型，在這個模型中，時間往回延續大約137億年就到達了大爆炸時期。該模型解釋了包括曆史和地學的證據在內的大部分我們的現代觀測，它是我們擁有的對過去的最好描繪。第二種模型能解釋化石和放射性記錄，以及我們接受來自距離我們幾百萬光年的星係來的光的事實。因此，第二個模型，大爆炸理論無疑比第一個顯得更有用。盡管如此，卻還是不能說哪一個模型比另一個更真實。
在20世紀20年代，絕大多數的科學家們都相信宇宙是靜止的，或者在總的尺度上保持著不變。雖然後來的埃德溫·哈勃於1929年發表了他的觀測結果，顯示出宇宙正在膨脹，但在當時，他的想法卻並沒有被人們接受。哈勃觀察到的是由星係發射出的光，並沒有直接觀察到宇宙在膨脹。那些光攜帶特征記號，或基於每個星係成分的光譜。如果星係相對於我們運動，光譜就會改變一個已知的量。因此，哈勃由分析遠處星係的光譜能夠確定它們的速度。他預料會找到離開我們運動的星係數目與靠近我們運動的星係一樣多，可是最後結果卻和預料相反，他發現幾乎所有的星係都離開我們運動，而且處在越遠的地方，它們就越快地運動。於是哈勃得出一個結論：宇宙正在膨脹。因為當時的其他人都在堅持早先的模型，試圖在穩態宇宙的這個框架中解釋哈勃的觀測結果。例如，加州理工學院的物理學家弗裏茨·茲威基提到，也許因某些還未知的原因，當光線穿越巨大距離時慢慢地損失能量，這種能量減小會對應於光譜的改變。茲威基說到這種改變能夠模擬哈勃的觀測。因此，在哈勃之後的幾十年間，許多科學家都還在繼續堅持著穩態理論，但最自然的模型卻仍然還是由哈勃提出的膨脹宇宙模型，而在現在，它已經被人們接受。
在探尋製約宇宙定律的這些過程中，我們表述過了許多經典的、具有重要意義的理論或模型，諸如四元素理論、托勒密模型、熱素理論、大爆炸模型等。每個理論或模型都改變著我們對實在和宇宙的基本成分的概念。例如，考慮光的理論中，牛頓認為光是由小粒子或者微粒構成，這就解釋了為什麼光會沿直線旅行，同時牛頓利用這個觀點來解釋為什麼當光從一個媒質進入另一個媒質時，比如從空氣進入玻璃或者從空氣進入水時會產生折射的現象。
在牛頓環中，亮環位於離開中心的距離為該處透鏡和反射板之間的分離使得從透鏡反射的波和板上反射的波相差整數（1，2，3，……）倍的波長（波長是一個波的波峰或波穀和下一個波峰或波穀之間的距離。），產生了相長幹涉。另一方麵，暗環位於離開中心的距離為該處的兩個反射波之間相差半整數（1/2，3/2，5/2，……）倍的波長，引起相消幹涉——從透鏡反射的波抵消了從平板反射回來的波。
19世紀，這個被用來確認光的波動論還證明了光的粒子論是錯誤的。然而，在20世紀早期，偉大的科學家愛因斯坦就證明，用光粒子或量子打到原子上並打出電子可解釋光電效應（現在用於電視和數碼相機中）。這樣，光就同時具有了作為粒子的行為和作為波的行為。
我們將在第五章中進一步討論對偶性和M理論，但在這之前，我們將要轉向量子論，量子論作為我們現代自然觀基礎的基本原理，它的作用不可忽視。我們將要特別關注那被稱作是可擇曆史的量子論方法。按照可擇曆史的觀點，宇宙並非僅具有單獨的存在或曆史，而是每種可能的宇宙版本在所謂量子疊加中同時存在，這聽起來就像隻要你離開房間桌子就會消失的理論般瘋狂，然而在現在的情形下，這一理論已經通過了它所經受的所有實驗的驗證。
可以選擇的曆史
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1999年，一組物理學家正在奧地利向一個障礙射出一長串足球狀的分子。這些每個由60個碳原子組成的分子有時被稱作巴基球，這個名字是因為建築學家巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）曾做過那種形狀的建築物。富勒的短程線圓頂結構也許是目前世界上最大的足球狀物體，但巴基球卻是最小的。科學家瞄準的障礙實際上具有兩道巴基球能通過的窄縫。在牆後麵，物理學家放置了一個相當於屏幕的東西以檢驗和計數出現的分子。
如果我們用真的足球做一個類似的實驗，我們就需要一位目標彌散但具有與我們選取的速率一致的發球能力的球手。我們將這個球手放在有兩條窄縫的牆之前，在牆的另一邊，我們平行地放張長網。球手射出的球多數都打到牆上被彈回，在牆的另一麵出現兩束高度平行的足球的流注。如果縫隙隻比足球稍寬一些，每一束流注就會以扇形展開一些。
在科學思想誕生的最初2000年間，科學解釋都是基於人們日常的經驗和直覺之上。但隨著我們的技術不斷地在改善、可能觀測的現象範圍不斷地在擴展，我們開始發現自然行為的方式和我們的日常經驗，也包括我們的直覺越來越不一致，正如巴基球實驗所顯示的那樣。那個實驗不能被包括在經典科學框架中，而隻能被囊括在我們稱之為量子物理所描述的具有代表性的那一類現象之中。事實上，理查德·費恩曼曾在書中寫道：“雙縫實驗包含了量子力學的所有秘密。”
在發現牛頓理論不足以描述在原子或亞原子水平上的自然現象之後，在20世紀的前期就發展和形成了量子物理的原理。經典物理的基本理論描述自然的力和物體對這些力如何反應，諸如牛頓的經典理論都是在反映在日常經驗的框架這一基礎上建立而成的。
而這些基於和日常經驗完全陌生的框架上所建立的理論還能解釋被經典物理如此精確地模仿的尋常經驗嗎？答案是能，因為我們以及我們周圍都是複合結構，是由不能想象的大量的原子組成，原子的數量比我們所觀察到的宇宙中的恒星數量還要多得多，而物體的組成部分——原子是服從量子物理原理的，人們可以證明，形成足球、大頭菜和珍寶飛機，甚至構成我們的原子的確都能避免通過縫隙時繞射。但是，雖然日常物體的組成部分——原子服從量子物理，但牛頓定律還是依舊形成一個有效的理論，它還在非常精確地描述組成我們日常世界的組合結構如何的去行為。
1927年，貝爾實驗室的實驗物理學家克林頓·達維孫和勒斯特·澤默首次實現了雙縫實驗，他們研究一束電子如何與鎳晶體相互作用，這是比巴基球簡單得多的物體，就像電子的物質粒子能夠像水波那樣的事實是啟示量子物理的一類驚人的實驗一樣。由於在宏觀的尺度下人們不能觀察到這一類的行為，長期以來，科學家仍然對剛好能夠顯示這種類波性質的某物可以是多大並且能夠多複雜都感到非常好奇。如果可以利用人或者河馬來演示這個效應的話，定會引起轟動的，但就像我們曾在前麵說過的一樣，一個物體越大，則其量子效應就越微弱、越不明顯。所以，被關在動物園籠子裏的動物們都不太可能以類波形式通過它們籠子的柵欄。可是盡管如此，實驗物理學家們仍觀察到了不斷增大尺度的粒子的波動現象。科學家希望有朝一日使用病毒重做巴基球實驗，病毒不僅比巴基球要大得多，同時它還被某些人認為是具有生命的東西。
另一個量子物理的主要信條就是由威納·海森伯在1926年提出的不確定性原理。不確定性原理告訴了我們，對於我們同時在測量的一定數據，比如一個粒子的位置和速度的能力存在著一定的限度。根據不確定性原理，如果你將一個粒子位置的不確定性乘以它的動量（質量乘速度）的不確定性，其結果決不能比某一個稱為普朗克常數的固定的量更小。這是個繞口令，但可以將其要點敘述如下：你把速度測量得越精確，你就隻能把位置測量得越不精確。例如，如果你將位置的不確定性減半，你必須將速度的不確定性加倍。諸如和米、千克和秒等日常測量單位相比較，普朗克常數是非常小的，注意到這一點也很重要。事實上，如果以這些為單位，它的值約為6/10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000。由此，如果你將諸如質量為1/3千克的足球的宏觀物體在任何方麵都定位在1毫米之內，我們仍能將其速度測量到精度甚至遠比每小時一千億億億（1後麵跟27個0）分之一千米高得多。那是因為，以這些單位測量，足球的質量為1/3，而位置不確定性為1/1000，兩者都不足以負責普朗克常數的所有那些零，這樣責任就落到速度的不確定性上了。但是電子在同樣單位下具有質量0．000 000 000 000 000 000 000 000 000 001，所以對於電子，情況完全不同。如果我們測量一個電子的位置，其精度大約對應於一個原子的尺度，不確定性原理要求我們知道電子的速度，精確度不可能比大約正負每秒1000千米更高，這一點也不精確。
根據量子物理，不管我們得到多少信息，也不管我們的計算能力有多強，因為物理過程的結果都不能夠毫無疑問地被確定下來，所以我們總是不能確定地做出準確的預言。相反，在係統給定的初始狀態下，自然可以通過一個根本不確定的過程來確定它的未來狀態。換言之，即便在最簡單的情形下，自然也不會要求存在任何確切的過程或者實驗的結果。更確切地說，自然重視允許擁有幾個不同的可能結果，每一種結果具有確定能夠實現的可能性。解述愛因斯坦的話，仿佛上帝以投骰子來決定每一個物理過程的結果，這個思想使愛因斯坦苦惱，因此，盡管他本人就是量子物理的創始人之一，但後來卻也成為其批評者之一。
看起來量子物理似乎會削弱自然受定律製約的觀念，但事實卻並非如此，量子物理反而引導著我們去接受決定論的新形式：給定係統在某一瞬間的態，自然定律確定各種將來和過去的概率，而非肯定地確定將來和過去。盡管這不符合某些人的口味，但科學家卻必須接受和實驗相符的理論，而並非是他們自己腦海中先入為主的觀念。
量子理論中的概率都是不同的，它們反映了自然中的最基本的隨機性。自然量子模型中不僅包含有和我們日常經驗相關的原理，也有和我們實在性的直覺概念相矛盾的原理。覺得這些原理實在奇異並難以相信的人會有許多知音，其中更是有愛因斯坦甚至費恩曼這樣偉大的物理學家，我們接下來很快就要介紹後者對量子論的描述。事實上，費恩曼有一次曾寫道：“我以為我可以有把握地說，沒人能理解量子力學。”但是量子物理和觀測符合，它從未被檢驗失敗過，需要說明的是，量子力學所受到的檢驗比科學中的任何其他理論都要多得多。