宇宙何以存在？

    ■吴忠超

    霍金在《时间简史》之后的最重要著作，人们期待已久的《大设计》终于脱稿了。本书凝结了他二十多年来对科学和哲学的思考成果，以及对这些领域未来的展望。由于病情不可逆转的发展，霍金目前用电脑写作和交流的速度仅为每分钟一个词，因此已不可能单独地用电脑撰写完成，本书是在蒙洛迪诺的技术协助下完稿付梓的。

    我将最近收到此书的电子稿和2008年得到的他的写作大纲作了对比，发现书的结构变动极大，足以反映他在写作过程中思想发展、整理和清晰的过程。

    霍金在该书所要回答的是有关生命、宇宙和万物的终极问题。

    全书共分为八章：（一）存在之谜；（二）定律规则；（三）何为实在？（四）选择历史；（五）万物理论；（六）我们宇宙的选取；（七）表观奇迹；（八）大设计。以下略作一些评介。

    伴随着整个文明的进展，人们逐步意识到世间万物的演化是遵循定律，而非以人格化的神的意志为转移而运行的。

    我们不仅是要理解宇宙如何行为，而且要理解为何如此。具体而言即是：“为何是有非无？”“我们为何存在？”“为何是这一族特殊的定律，而非别的？”

    伴随着整个文明的进展，人们逐步意识到世间万物的演化是遵循定律，而非以人格化的神的意志为转移而运行的。开普勒似乎是首位在学术意义上理解定律这个术语的人，尽管他本人对万物的观点仍带有泛灵论的残余。虽然不知伽利略是否适当地用了这个术语，但他却发现了许多定律。笛卡尔可算是第一位明确地表述了自然定律的概念的人。关于定律，引起了三个问题:

    （１）“定律的起源是什么？” 开普勒、伽利略、笛卡尔和牛顿都认为定律是上帝颁布的。

    （２）“对于定律会有例外吗，即会出现奇迹吗？”多数科学家相信没有奇迹，而神学家几无例外地相信奇迹，天主教甚至将奇迹列为封圣的一个必要条件。即便牛顿本人也相信，由于行星之间的引力使其绕日公转轨道不稳定，需要上帝来调整干涉以维持太阳系的运行；与此相反，号称法国牛顿的拉普拉斯却对拿破仑说，在他的宇宙体系中不需要上帝的假设。

    正是这位拉普拉斯首先提出了决定论。那么，自由意志还有容身之处吗？霍金本人的观点是：世界是决定论的，但由于具有意识的肉体牵涉到极大量的自由度，所以只能用有效理论——心理学来处理。所谓有效理论，不妨举化学为例，它是用以处理化学反应中的原子、分子行为的有效理论。在心理学这种有效理论中存在着自由意志。经济学又是基于自由意志之上的。他认为这种理论不那么精密，所以世界才会变得这么一团糟。

    （３）是否仅存在一族定律？绝大多数科学家的信念是赞同的。他们认为定律的起源是逻辑。例如亚里士多德和追随者们就强调物体为什么要遵循规则，而不管规则是什么。他们认为，不要过于介意自然实际的行为，要将精力集中于推导出这些行为的规则。由于亚里士多德的权威，这种观点要等待二千年后才由伽利略打破，后者据说在比萨斜塔上做了自由落体的实验。

    实在性不过是一套自洽的、和观测对应的图景、模型或者理论。霍金将它称为依赖模型的实在性。

    近现代科学家们多相信存在独立于观察者的实在，而自然定律只不过是它的数学反映。然而现代科学的发展却强烈地撼动了这种旧实在论。

    什么是实在？是庄生？还是蝴蝶？判断一种场景是否实在，只在于其间是否有一套完备的自洽的逻辑或定律通行无阻。世界图像是一个模型或理论以及一系列将其元素和观测相连接的规则。简而言之，若多奇迹即少实在。由此得出结论，实在性不过是一套自洽的、和观测对应的图景、模型或者理论。霍金将它称为依赖模型的实在性。

    按照柏拉图以来的许多哲学家所坚持的旧实在论，体现在经典科学的图像是存在一个与观察者无关的悠然独立的外部世界。

    现代物理学尤其是量子论击碎了旧实在论。迄今为止对量子力学的哲学讨论之所以陷入困境正是因为人们不放弃旧实在论。他们下意识地认为一个粒子在未被测量时也具有经典轨道。实际上粒子不在测量时不具有独立的性质，甚至只是作为系综的部分而存在。

    依赖模型的实在论不在乎一个模型是否是现实的，只在乎它是否和观测一致。如果两个模型都和观测一致，则被认为具有同等的实在性。可以比较的只是哪种模型应用起来更方便。如果人们将托勒密体系修补得和日心说一样好地描述太阳系，则两者的差别就只在于日心说更方便一些而已，谈不上哪个学说更实在些。科学和哲学中的这种例子可谓不胜枚举，如阴极射线管发射的电子、夸克模型、引力物理中的全息原理……总之，庄生梦蝶和蝶梦庄生同样令人迷惑，也具备同等的实在性。

    模型之甄选，可依几个判据。其中，美学判据是优雅性；结构判据是模型的刚性，即具有尽可能少的任意性或可调节参量；经济判据是形式表述的简单性；威力判据则是解释现象的广泛性；此外还有给出可被证明或证伪的预言的预言性。非常奇妙的是，这些判据通常是相互一致的。这种一致性令理论家们沉醉不已。也基于这种原因，许多理论家沉迷于宇宙的宗教情绪之中，最著名者当然是爱因斯坦和他的伟大先行者斯宾诺莎。狄拉克正是从美学判据出发，发现了相对论性电子方程，即狄拉克方程。量子场的重整化虽然被广泛接受，但却被狄拉克拒绝，因为它不美。

    二十世纪最伟大的科学进展之一是量子论的发现。费恩曼认为双缝实验包含了量子论的所有秘密。托马斯·扬在十九世纪初进行了光的双缝实验，1927年贝尔实验室的科学家进行了电子的双缝实验，直至1999年奥地利科学家进行了碳60的双缝实验。人们还希望对病毒作类似的实验，因为病毒不仅大得多，还被认为具有生命。

    双缝干涉条纹的有趣出现显示，从一条缝通过的粒子似乎知悉从另一条缝通过的粒子的信息。如果外界获悉其中一条缝是否通过粒子，则干涉条纹消失。实验者还可以稀释发射粒子流，在有限的时间内只让一个粒子参与实验。在这种情形下，人们仍然可以由多次重复看到干涉条纹，可见甚至单独粒子也和自身干涉。这一切在经典图像中全然得不到解释，因为在那里粒子具有确定的位置和速度。对此，费恩曼自己说过：“我以为可以有把握地说，无人理解量子力学。”

    但为理解量子力学之谜作出重大贡献的却正是费恩曼本人。1940年代他提出了量子论的历史求和表述。粒子选择任何连接始终两端的一切路径，对这些路径的贡献求和在通常情形下都被对消了，只有和经典路径接近的那些路径的贡献才未被抵消，从而留存下来。这就是我们日常生活中体验的经典图像的起源。从依赖模型的实在论观点看，连接粒子初末位置的确定轨迹没有意义，它不过是经典力学或旧实在论在人脑中的残余而已。

    更激进的观点是约翰·惠勒提出的“延迟选择”的理想实验：现在的观测会影响过去的历史选择。对于宇宙而言，它的过去具有所有可能的历史，每个历史都被赋予各自的概率，对现时宇宙状态的观测影响它的过去历史。这种分析甚至指出从大爆炸如何引出我们感知的自然定律。

    所有这些理论都是一种还未发现的M理论在不同情形下的近似。在它们有效范围的交迭处，它们给出相同的预言。许多人猜测，M理论可能是我们寻求的终极理论。

    从伽利略、笛卡尔意识到宇宙万物被定律制约或更早起，直到今日发展万物理论的候选者Ｍ理论止，是一部理性逐步战胜蒙昧的迄今还在继续的史诗。

    1666年牛顿在伍尔索普领地发现了万有引力。

    1820年奥斯特意识到运动的电荷产生磁力，由此将电学和磁学联系起来。

    1831年法拉第发现了电磁感应。

    1860年代麦克斯韦提出了以其名字命名的方程，预言了在真空中以光速传播的电磁波的存在，并断言光波是电磁波的一种。在麦克斯韦的图像中，他将电磁波看成一个在称为以太的媒质中的应变张量。因为光速是有限的，看来非如此便不能和伽利略的旧相对性原理相协调，于是人们，包括麦克斯韦，都想确认以太的存在。

    1887年迈克耳孙和莫雷试图测量地球相对以太的运动速度，结果是否定的。他们并非试图证明或证伪以太的存在。因此许多人提出各种方案修补以太的理论。 

    1905年爱因斯坦提出了狭义相对论，使麦克斯韦理论和相对性原理相协调。狭义相对论符合好模型的所有判据。为了使万有引力和相对论相协调，爱因斯坦又于1915年提出了广义相对论。

    除了引力和电磁力，自然界还有弱力和强力。为了描述微观世界和极早期宇宙，所有力都必须纳入量子论的框架。狄拉克于1927年，海森堡和泡利于1929年，提出了辐射的量子理论；1940年代，费恩曼、施温格、朝永振一郎等针对量子电动力学的发散问题提出重整化理论。至此电磁力的量子化大功告成，量子电动力学是历史上最精确的物理理论。

    1967年萨拉姆和温伯格在量子论的框架中，各自独立地提出了弱电统一理论。之后建立的和强作用相对应的理论称为量子色动力学。

    爱因斯坦晚年致力于统一自然的所有力，但未成功。1970年代，人们试图将强力和弱电力统一起来。这些所谓的大统一理论具有太多可调整参数，而且不能与测量一致，所以不算是好理论。此外，它未能将万有引力纳入。

    1976年发现的超引力似乎可望将四种作用统一起来，并同时实现引力的量子化。在超引力中引进了所谓的超对称，超对称是存在于费米子和玻色子之间的对称，它将物质和力看成一种东西的两个方面。

    1980年代后人们的主要兴趣转向超弦理论。弦论中的元素是无限细的弦，粒子由弦上的振动模式来代表。超弦只有在时空为十维时才能自洽。至少存在五种弦论。我们观测到的时空是四维的，那些额外的时空被卷缩成极小尺度的内空间，卷缩的方式有几百万种之多。1994年左右，人们发现在不同的超弦理论及其额外维的卷缩之间存在对偶性，它们描述四维时空中的相同现象。11维超引力与它们也有类似的关系。

    以上研究结果暗示，所有这些理论都是一种还未发现的M理论在不同情形下的近似。在它们有效范围的交迭处，它们给出相同的预言。许多人猜测，M理论可能是我们寻求的终极理论。它可能是一个理论的网络。在M理论中的时空是11维的，在超弦理论中有一维被忽略了。

    在M理论中额外维的卷缩方式决定了四维时空中的物理常数和相互作用，所以我们在四维时空的理论只能说是表观的，M理论中的定律才是基本的。

    M理论预言的宇宙多达10的500次方种，它们各自具有不同的表观定律。我们为何恰好居住在这个宇宙，其它的宇宙又究竟是怎么回事呢？

    宇宙学从哈勃发现了红移定律后就进入了科学的王国。1965年的宇宙微波背景辐射的发现使大爆炸模型被普遍接受，而宇宙学又因COBE和WMAP探测结果而成为精确科学。

    人们现在接受，在大爆炸宇宙场景之先有一个暴胀的过程。暴胀场景可以解释大爆炸宇宙学中的视界、平性和磁单极子的问题，但其更重要的意义是解决宇宙结构的起源问题。既然暴胀本身必需初始条件，这就牵涉到宇宙学最根本的问题——宇宙的创生。无中生有的场景不失为一个彻底解决宇宙创生问题的最满意方式。在霍金等人提出无边界量子宇宙学的1980年代，理论物理学界认为四维时空中只有一族定律。所以无边界量子宇宙学不仅是自洽的，还是自足的，单凭物理定律即能预言宇宙中的一切。

    如果说三十年前无边界量子宇宙学把造物主从宇宙创生的场景中祛除，那么这新方法在某种意义上又将我们名符其实地扶上万物之灵的宝座。

    传统的物理学研究方法是从第一原理出发，对某些模型进行研究，进而与观测相比较。但从上世纪中开始，人们发现，在这种方法力所不逮之处，往往可由观察者存在这个条件出发而得出许多结论，这在天体物理和宇宙学中尤其有效。这个原则被称作人存原理。例如有关宇宙的年龄，由人类的存在的条件可推出大约有100亿年左右。其推论过程是，人体必须有碳的成分，它是在恒星内部由更轻元素转变而来，然后在超新星爆发时发散到太空，再在新一代的某太阳系中凝聚到行星中。1961年迪克算出这个过程大约为100亿年，断言宇宙至少得有这么老，但也不能比这老得太多，否则恒星燃料早就被耗尽了，我们也就不能存活至今。这在那个时代算是相当准确了，当然今天人们已经更精确地测定宇宙年龄为137亿年。

    关于我们观察到的时空为何是4维，从人存原理早已得知。如果空间维数不为3，两个物体之间的万有引力的随距离衰减就不遵循反平方律，这样大至行星轨道小至氢原子电子轨道都不稳定。所以应用人存原理，空间维数必须为3。从量子宇宙学首次推出我们生活其中的时空为4维是晚近的事。在无边界的超引力宇宙学中，可证明外时空必须是4维的，而内空间为7维的（参见拙文，刊于《物理学通讯》B585卷，6（2004）；《广义相对论和引力》34卷，1121（2002）以及17卷， 1217（1985））。

    类似的人存原理的例子还可以举很多。

    人存原理和第一原理似乎处于理论物理的两极，而无边界量子宇宙学是第一原理的彻底体现。为什么两者能得出同样的结论呢?

    由于终极理论研究的推进，人们认为我们生活其中的四维时空的定律是表观的，与M理论中额外维的卷缩方式相关。如果我们得知宇宙某一时刻的内外空间的一切信息，则量子宇宙学中的无边界设想的原型仍然适用。然而，人们在现实中只能掌握到外空间的信息，所以对无边界宇宙的场景要作相应的改变。在给定的外空间的状态下，由于内空间的大量可能性，此前宇宙的与无边界设想相符的历史就有许许多多。我们要寻找其中概率最大的那个历史。这个历史同时确定了内空间的卷缩方式，并由此导出四维时空的表观定律和初始条件。与此不同，在以往旧的框架中4维的定律被认为是基本的，因而就只有一个历史。这种新手段被称为“从顶到底”的方法。这种方法的含义是，我们的观察创造历史，而非历史创造我们。在这场景中不同的历史遵循在四维时空中的不同的表观定律，因和果的差异在这里居然消失了。

    如果说三十年前无边界量子宇宙学把造物主从宇宙创生的场景中祛除，那么这新方法在某种意义上又将我们名符其实地扶上万物之灵的宝座。

    从以上的论证也可看出为何从人存原理和第一原理可以得出相同的结论。

    M理论迄今是终极理论的唯一合格候选者。我们作为简单的基本粒子的组合体由此出发，如此清晰地理解宇宙和我们的存在，这真正是理性的胜利。

    宇宙如此奇妙，但它为何创生呢？二十多年前霍金在《时间简史》中写道：“难道统一理论如此咄咄逼人，以至于其自身之实现不可避免？”但从依赖模型的实在论观点，这个最为伟大的命题可以得到圆满的回答。所谓实在性和创生的条件不过是存在一套自洽的定律以及和观测对应的元素。

    霍金举了1970年代剑桥数学家约翰·孔维生命游戏模型为例。在这个模型中，由极简单的基础“物理”，可以导出复杂的“化学”，乃至“生物学”，而不同尺度的表观定律是不同的。在“复合体”中可以定义生命、繁殖，甚至某种意义上的智慧，这种复合体可以对外界刺激作出反应即决定，它会有自我意识吗？还会有自由意志吗？

    孔维的宇宙的定律和初始条件是由人们指定的。在物理宇宙中，由于凝聚体的能量总是正的，但由于存在万有引力，宇宙的总能量变为零，所以宇宙的局部是稳定的，而整体是不稳定的。恒星和黑洞等物体不能无中生有，而整个宇宙却能无中生有。

    就我们现在所知，M理论迄今是终极理论的唯一合格候选者。我们作为简单的基本粒子的组合体由此出发，如此清晰地理解宇宙和我们的存在，这真正是理性的胜利。

    古往今来的胜败多源于各种利益的争夺，而上述的这项胜利则是超阶级、超种族，甚至超人类的，因此也是最伟大的。任何文化创造，无论是艺术的还是科学的，恐怕都不及理解我们自身存在这个命题伟大。

    2006年夏天霍金第三次访问中国，并于6月21日在北京举行记者招待会。为了避免记者提问的无聊和空泛，我为之代拟问题，其中包括下面这一道（参见拙文，刊于《中华读书报》2006年7月12日）。

    问：“你能对宇宙和我们自身的存在作些评论吗？”

    答：“根据实证主义哲学，宇宙之所以存在是因为存在一个描述它的协调的理论。我们正在寻求这个理论。但愿我们能找到它。因为没有一个理论，宇宙就会消失。”

    这恰巧是本书的主题，本书正是对他回答的圆满阐述。由此可见，他的思想早在2006夏天就已经相当清晰了。

    在哲学中以依赖模型的实在论来取代旧实在论，也就相应于在社会学中抛弃历史主义和乌托邦主义等，其含义不言而喻。

    每个思想者都是独一无二的，读者当然可以赞同或反对本书或本文表达的若干观点。但无论如何，我们希望本书中文版能在沉闷的思想界掀起波澜，让久违两千多年的学术自由的场景不再是一个民族遥不可及的海市蜃楼。

    2010年8月26日于杭州望湖楼