第3章
當大部分人相信一個本質上靜止不變的宇宙時，關於它有無開端的問題，實在是一個形而上學或神學的問題。按照宇宙存在無限久的理論，或者按照宇宙在某一個有限時刻，以給人的印象似乎是已經存在了無限久的樣子啓動的理論，我們可以同樣很好地解釋所觀察到的事實。但在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的觀測，即是不管你往那個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。換言之，宇宙正在膨脹。這意味着，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以那時候宇宙的密度無限大。這個發現最終將宇宙開端的問題帶進了科學的王國。
哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙的尺度無窮小，而且無限緊密。在這種條件下，所有科學定律並因此所有預見將來的能力都失效了。如果在此時刻之前有過些事件，它們將不可能影響現在所發生的一切。所以我們可以不理它們，因爲它們並沒有可觀測的後果。由於更早的時間根本沒有定義，所以在這個意義上人們可以說，時間在大爆炸時有一開端。必須強調的是，這個時間的開端是和早先考慮的非常不同。在一個不變的宇宙中，時間的端點必須由宇宙之外的存在物所賦予；宇宙的開端並沒有物理的必要性。人們可以想像上帝在過去的任何時刻創造宇宙。另一方面，如果宇宙在膨脹，何以宇宙有一個開端似乎就有了物理的原因。人們仍然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬間創造宇宙，或者甚至在更晚的時刻，以便它看起來就像發生過大爆炸似的方式創造，但是設想在大爆炸之前創造宇宙是沒有意義的。大爆炸模型並沒有排斥造物主，只不過對他何時從事這工作加上時間限制而已！
爲了談論宇宙的性質和討論諸如它是否存在開端或終結的問題，你必須清楚什麼是科學理論。我將採用頭腦簡單的觀點，即理論只不過是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些聯結這模型和我們所觀察的量的規則。它只存在於我們的頭腦中，（不管在任何意義上）不再具有任何其他的實在性。如果它滿足以下兩個要求，就算是好的理論：它必須在只包含一些任意元素的一個模型的基礎上，準確地描述大批的觀測，並對未來觀測的結果作出確定的預言。例如，亞里士多德關於任何東西是由四元素，土、空氣、火和水組成的理論是足夠簡單的了，但它沒有做出任何確定的預言。另一方面，牛頓的引力理論是基於甚至更爲簡單的模型，在此模型中兩物體之間的相互吸引力和它們稱之爲質量的量成正比，並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言了太陽、月亮和行星的運動。
在它只是假設的意義上來講，任何物理理論總是臨時性的：你永遠不可能將它證明。不管多少回實驗的結果和某一理論相一致，你永遠不可能斷定下一次結果不會和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一個和理論預言不一致的觀測事實，即可證僞之。正如科學哲學家卡爾·波普所強調的，一個好的理論的特徵是，它能給出許多原則上可以被觀測所否定或證僞的預言。每回觀察到與這預言相符的新的實驗，則這理論就倖存，並且增加了我們對它的可信度；然而若有一個新的觀測與之不符，則我們只得拋棄或修正這理論。至少被認爲這遲早總會發生的，問題在於人們有無才幹去實現這樣的觀測。
實際上經常發生的是，所設計的新理論確實是原先理論的推廣。例如，對水星的非常精確的觀測揭露了它的運動和牛頓理論預言之間的很小差異。愛因斯坦的廣義相對論所預言的運動和牛頓理論略有不同。愛因斯坦的預言和觀測相符，而牛頓的預言與觀測不相符，這一事實是這個新理論的一個關鍵證據。然而我們在大部分實際情況下仍用牛頓理論，因爲在我們通常處理的情形下，兩者差別非常小。（牛頓理論的另一個巨大的優點在於，它比愛因斯坦理論容易處理得多！）
科學的終極目的在於提供一個簡單的理論去描述整個宇宙。然而，大部分科學家遵循的方法是將這問題分成兩部分。首先，是一些告訴我們宇宙如何隨時間變化的定律；（如果我們知道在任一時刻宇宙是什麼樣子的，則這些定律即能告訴我們以後的任一時刻宇宙是什麼樣子的。）第二，關於宇宙初始狀態的問題。有些人認爲科學只應過問第一部分，他們認爲初始狀態的問題應是形而上學或宗教的範疇。他們會說，全能的上帝可以隨心所欲地啓動這個宇宙。也許是這樣。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，看起來他選擇宇宙以一種非常規則的、按照一定規律的方式演化。所以，看來可以同樣合理地假定，也存在着制約初始狀態的定律。畢全功於一役地設計一種能描述整個宇宙的理論，看來是非常困難的。反之，我們是將這問題分成許多小塊，併發明許多部分理論。每一部分理論描述和預言一定有限範圍的觀測，同時忽略其他量的效應或用簡單的一組數來代表之。可能這方法是全錯的。如果宇宙中的每一件東西都以非常基本的方式依賴於其他的任何一件東西，很可能不能用隔離法研究問題的部分去逼近其完備的答案。儘管如此，這肯定是我們在過去取得進展所用的方法。牛頓引力理論又是一個經典的例子，它告訴我們兩個物體之間的引力只決定於與每個物體相關的一個數——它的質量；而與物體由何物組成無關。這樣，人們不需要太陽和行星結構和成份的理論就可以計算它們的軌道。
今天科學家按照兩個基本的部分理論——廣義相對論和量子力學來描述宇宙。它們是本世紀上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對論是描述引力和宇宙的大尺度結構，也就是從只有幾英哩直到大至1億億億（1後面跟24個0）英里，即可觀測到的宇宙範圍的尺度的結構。另一方面，量子力學處理極小尺度的現象，例如萬億分之一英寸（1英寸=釐米）。然而，可惜的是，這兩個理論不是互相協調的——它們不可能都對。當代物理學的一個主要的努力，以及這本書的主題，即是尋求一個能將其合併在一起的理論——量子引力論。我們還沒有這樣的理論，要獲得這個理論，我們可能還有相當長的路要走，然而我們已經知道了這個理論所應具備的許多性質。在以下幾章，人們將會看到，我們已經知道了相當多的量子引力論所應有的預言。
現在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由確定的定律所制約的，你最終必須將這些部分理論合併成一套能描述宇宙中任何東西的完整統一理論。然而，在尋求這樣的完整統一理論中有一個基本的自相矛盾。在前面概括的關於科學理論的思想中，假定我們是有理性的生物，既可以隨意自由地觀測宇宙，又可以從觀察中得出邏輯推論。在這樣的方案裏可以合理地假設，我們可以越來越接近找到制約我們宇宙的定律。然而，如果真有一套完整的統一理論，則它也將決定我們的行動。這樣，理論本身將決定了我們對之探索的結果！那麼爲什麼它必須確定我們從證據得到正確的結論？它不也同樣可以確定我們引出錯誤的結論嗎？或者根本沒有結論？
對於這個問題，我所能給出的回答是基於達爾文的自然選擇原理。這思想是說，在任何自繁殖的羣體中，存在有不同個體在遺傳物質和發育上的變異。這些差異表明，某些個體比其他個體對周圍的世界更能引出正確的結論，並去適應它。這些個體更可能存活、繁殖，因此它們的行爲和思維的模式將越來越起主導作用。這一點在過去肯定是真的，即我們稱之爲智慧和科學發現的東西給我們帶來了存活的好處。這種情況是否仍會如此不是很清楚：我們的科學發現也可以將我們的一切都毀滅。即使不是這樣，一個完整的統一理論對於我們存活的機會不會有很大影響。然而，假定宇宙已經以規則的方式演化至今，我們可以預期，自然選擇賦予我們的推理能力在探索完整統一理論時仍然有效，並因此不會導致我們得到錯誤的結論。
因爲除了最極端的情況外，我們已有了對所有一切都足夠給出精確的預言的部分理論，看來很難以現實的理由爲探索宇宙的終極理論辯護。（值得指出，雖然可用類似的論點來攻擊相對論和量子力學，但這些理論已給我們帶來了核能和微電子學的革命！）所以，一套完整的統一理論的發現可能對我們種族的存活無助，甚至也不會影響我們的生活方式。然而自從文明開始，人們即不甘心於將事件看作互不相關而不可理解的。他們渴求理解世界的根本秩序。今天我們仍然渴望知道，我們爲何在此？我們從何而來？人類求知的最深切的意願足以爲我們所從事的不斷的探索提供正當的理由。
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