大設計

名人推薦：行政院國科會主委‧中研院院士
李羅權

中研院物理所所長‧中研院院士
吳茂昆

台灣大學物理系及天文所教授
高涌泉

國立自然科學博物館館長
台灣大學物理系及天文所教授
孫維新

《胡桃裡的宇宙》譯者
葉李華

1 .
THE MYSTERY OF BEING
存在之奧祕

生如蜉蝣，在轉瞬即逝的時間內只能探索浩瀚宇宙的一小部分。然而人類是個好奇的物種，會思索，會尋求答案。生活在這個善惡輪番上演的大千世界裡，當人們凝視無垠的穹蒼時，總會湧現種種問題：如何才能了解自己所存在的世界？宇宙如何運作？真實的本質是什麼？萬物從何而來？宇宙需要造物主嗎？當然，大多數人不會時時刻刻都在思索這類問題，但是或多或少都曾經想過。

傳統上這些是屬於哲學範疇的問題，然而現今哲學已死，因為它未能跟上現代科學（尤其是物理學）進展的腳步。科學家繼起，成為人類探索知識的開路先鋒。本書旨在根據最新發現和理論發展來提出答案，使我們的宇宙觀和人類的地位呈現嶄新的圖像，甚至有別於近如一、二十年前的看法。不過，新觀念的浮現最早可追溯至將近一百年前。

傳統的宇宙觀認為物體會循著明確的路徑前進並具有明確的歷史，隨時都可指出物體的精確位置。雖然這種主張可以滿足日常生活所需，但1920年代時卻發現這幅「古典」圖像無法解釋在原子與次原子尺度上觀察到的各種怪異現象，而必須改採不同的架構，也就是量子理論。結果，量子理論不但能在微小的尺度上
精準預測事件，當運用在日常生活的鉅觀世界中，也能複製古典理論的預測。然而，量子理論和古典物理所依據的物理真實可謂大異其趣。

量子理論有許多種表述方法，但其中最直覺式的描述或許要數費曼（Richard Feynman）的說法。這位多采多姿的物理學家曾任教於加州理工學院，並在學校附近一家夜總會演奏森巴鼓。他主張，一個系統不只擁有一種歷史，而是具有每一種可能的歷史。在本書尋求答案的過程中，會詳細解釋費曼的方法，並進一步探索「宇宙沒有單一歷史、甚至不具獨立存在」的說法。這項主張就算是在物理學家眼中，依然顯得十分激進。的確，這項主張就像今日許多科學觀念一樣，似乎都與常識相違。然而，所謂的「常識」是以日常生活經驗為基礎，而非以現代精益求精的科技，例如原子探測技術或對早期宇宙的偵測等，所揭露的宇宙真貌為依據。

在近代物理揭開序幕之前，一般咸認世界上所有的知識都可靠直接觀察而獲得，萬事萬物皆可由感官知覺而窺其真貌。然而近代物理的空前突破，是建立在像費曼所提那樣與日常生活經驗相衝突的觀念之上，這顯示過去的取徑已非全然正確。對真實的直觀與近代物理無法相容。面對這種弔詭，我們將採用「模型相關真實論」（model-dependent realism）的觀點。模型相關真實論的基本概念是人類大腦打造了這個世界的模型，據以詮釋感官輸入；當某個模型能夠成功解釋事件時，我們便會對此模型及其構成元素與概念賦與真實特質或視之為絕對真實。但面對相同的自然狀況，可能有不同的模型存在，且分別具有不同的基本元素和概念。如果有兩項物理理論或模型都能夠正確預測相同的事件，我們不能說哪個比較真實，而是我們可以隨意採用最便利的模型。

在科學史上，從柏拉圖到牛頓的古典理論，再到近代的量子理論，出現過一連串愈來愈好的理論或模型。我們自然會問：這一連串的發現最後會走到盡頭，獲得一項終極的宇宙理論，能包含所有的作用力並且預測每項觀察的結果嗎？或者，我們會一直發現更好的理論，卻永遠找不到一項完滿的理論呢？這個問題尚無定論，但如果真的有終極理論存在，那M理論可以做為候選理論。M理論是唯一具備終極理論各項特性的模型，也是本書之後討論的重點。

M理論不是一般所認知的理論，它是由許多不同理論構成的一個大家族，其中每一項理論只能夠對某個範圍觀察到的物理現象做良好的描述。這有點像繪製地圖。大家都知道完整的地球表面無法利用單一地圖來呈現，一般世界地圖所採用的麥卡托投影法（Mercator projection），會讓愈接近最南和最北的地方愈形放大，而且無法涵蓋南極與北極。要忠實繪製出整個地表，必須動用許多分別涵蓋不同範圍的地圖。地圖會彼此重疊，而重疊之處顯示出相同的地貌。M理論的情況與此相似。M理論家族中不同的理論或許看似差異極大，但都可視為同一基本理論的不同面向；它們是基本理論的不同版本，各只適用於有限的範圍，例如適用於當某些量（如能量）相當微小的時候。如同以麥卡托投影法繪製的地圖彼此交疊，當不同的理論版本涵蓋範圍重疊時，也可預測相同的物理現象。不過，正如同一幅平面地圖無法完整代表地球表面一般，也沒有單一理論可以完整代表對所有物理現象的觀察。

本書將探討為什麼M理論可能針對「宇宙創造」的問題提出答案。根據M理論，我們的宇宙不是唯一的宇宙。相反地，M理論預測為數龐大的宇宙從無到有創造出現，並不需要某些超自然神靈介入；眾多的宇宙乃依物理法則自然生成，它們是在科學預測的範疇裡。每個宇宙都有許多可能的歷史，並演變成許多可能的狀態，例如距離宇宙創造已十分久遠的此時此刻。其中大多數狀態和如今觀察到的宇宙大異其趣，無法容許任何生命形態存在，只有極少部分能讓我們這樣的生物生存。雖然宇宙浩瀚無窮，人類顯得如此微不足道，但是在眾多的宇宙中，是我們的存在選擇了能相容於我們的宇宙，在這層意義上，人類又等同於造物主。

欲了解宇宙最深處的奧祕，不僅需要知道宇宙如何運作，更要探究為什麼：
為什麼世上有東西而非空無一物？
我們為什麼存在？
為什麼宰制宇宙的是這套特定的法則而非其他法則？

這是對生命、宇宙和天地萬物的終極大問，我們將試圖在本書中回答。但是與《銀河便車指南》（The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy）不同，我們的答案不會是電影或小說中簡單的神祕數字「四十二」。

1 .
THE MYSTERY OF BEING
存在之奧祕

生如蜉蝣，在轉瞬即逝的時間內只能探索浩瀚宇宙的一小部分。然而人類是個好奇的物種，會思索，會尋求答案。生活在這個善惡輪番上演的大千世界裡，當人們凝視無垠的穹蒼時，總會湧現種種問題：如何才能了解自己所存在的世界？宇宙如何運作？真實的本質是什麼？萬物從何而來？宇宙需要造物主嗎？當然，大多數人不會時時刻刻都在思索這類問題，但是或多或少都曾經想過。

傳統上這些是屬於哲學範疇的問題，然而現今哲學已死，因為它未能跟上現代科學（尤其是物理學）進展的腳步。科學家繼起，成為...

【中文版代序】
從金魚缸中拼湊宇宙的面貌
孫維新
（國立自然科學博物館館長/台大物理系與天文物理研究所教授）


人類與生俱來的個性之一，就是「好奇」，好奇於自身之所從出，也好奇於周遭環境何以如此，自然如何運作；所以從古到今，人類以有涯隨無涯的工作之一，就是不斷地對周遭的環境和現象提出解釋，柏拉圖和亞里士多德如此，哥白尼和伽利略也是如此。

思考問題，然後提出合理解釋，這是科學的基本過程，但在許多時候，所謂的「合理」解釋，都是基於我們生活中的「直覺」，這也是為什麼從托勒密符合生活直觀的「地心說」開始，太陽就不得不繞著地球轉了一千四百年，到哥白尼的晚年才將兩者的位置換了過來。時至今日，到底還有多少「地心說」在我們的科學認知中流竄？我們真的不知道。

伽利略的夜空觀測和親身實驗，推動了天文學和運動學的大幅前進；克卜勒的數學計算和數據耙梳，給出了天體運動的幾何圖像背後的物理原理；牛頓則踩在這些人的肩膀上，推開了理性時代的大門。然而科學觀測和物理實驗，就是接觸「真實世界」的正確通路嗎？不，科學的工作並不會將我們引導到真理腳下，科學家只是在研究現象，找出看來合理的解釋，真理，是屬於哲學家的！

二十世紀量子力學和相對論的出現，徹底顛覆了「生活直覺」導向「真實世界」的邏輯思考，也讓許多人倍感挫折。所以才出現了以下的笑話：宇宙初起是一片混亂，上帝看不過去了，就說：「讓牛頓出生吧！」，於是世界就在牛頓定律的規範下井然有序地運行。魔鬼看不過去了，就說：「讓愛因斯坦出生吧！」，於是世界又恢復了混亂。

史蒂芬‧霍金在他的新作《大設計》一書中，步武前賢，努力地將「科學結果」和「真實世界」做一區隔。在書的前半部中，霍金描述科學工作者如何歷盡艱辛，將社會上「天地人我受眾神支配」的古早觀念，逐漸轉變為「宇宙是受自然法則所支配」的現代想法，讓人們樂觀地認為可以經由科學探索的過程，逐步揭開真實世界的面紗。然而現代科學的測量方式，的確可以告訴我們真實世界的長寬高嗎？霍金在此做了一個有趣的比喻，魚缸中的金魚，透過扭曲的玻璃，經過長期認真的觀察記錄，可以準確地描述甚至預測魚缸之外的物體運動，但金魚們的科學觀測，就是真實世界的圖像嗎？想想早年的四元素理論、托勒密模型、燃素理論，到穩態宇宙，我們好像和魚缸中的金魚也差不到哪兒去。

每當我徜徉在夜空之下，仰首繁星蒼穹，當身旁的人為了宇宙的廣漠無垠感動落淚，我卻常常想著一顆恆星單位時間之內所釋放的光子數目是否恆定？這無趣的想法其實就源自於「科學測量」是否就是「真實」？實際上恆星每秒鐘所釋出光子數的「真值」（true value），我們永遠無法得知，我們所能掌握的，是望遠鏡每次觀測以後所告訴我們的「測量值」（measured value），再加上「誤差」。當然，我們讓自己相信，經過多次測量，取平均之後的測量值「應該」很接近真值，這就是霍金書中所說的「模型相關真實論」。所以我們對這個世界的描述，其實是來自感官的偵測再加上大腦的詮釋，所出現的心智圖像；霍金說：「這些心智圖像成為我們唯一知道的真實，如果沒有『模型』，便無法檢驗『真實』，一定是先建構模型，才會創造出真實。」天哪！「真實」是我們的大腦創造出來的？

在這本書的後半部中，霍金討論了光和粒子的二重性，這是另一個「世俗」的我們在初接觸時很難接受的概念，老是會想著世界不應如此複雜，應該均勻、和諧、對稱，而完美，這些自希臘科學家以降的心靈信條，在量子力學和相對論的撞擊下早已逐漸崩解，不單如此，霍金說：「量子物理告訴我們，不論對現在的觀察如何徹底，過去就像未來一樣不確定，只以眾多的可能性存在。根據量子物理，宇宙沒有單一的過去或歷史。」這段文字，對眾多讀者來說，製造的問題比解決的問題還要多。

霍金的這本書，結結實實地讓讀者接觸到了「科學哲學」的本質，讀者可以順著霍金清晰的思路，和偶而幽默風趣的語調，認識科學家如何探索世界，以及這個世界如何回報。想通過科學實驗，接觸宇宙真理的讀者，看完本書之後，大概會掩卷三嘆。真要想瞭解這個世界的本質，恐怕是要「跳出三界外，不在五行中」了。

【中文版代序】
從金魚缸中拼湊宇宙的面貌
孫維新
（國立自然科學博物館館長/台大物理系與天文物理研究所教授）


人類與生俱來的個性之一，就是「好奇」，好奇於自身之所從出，也好奇於周遭環境何以如此，自然如何運作；所以從古到今，人類以有涯隨無涯的工作之一，就是不斷地對周遭的環境和現象提出解釋，柏拉圖和亞里士多德如此，哥白尼和伽利略也是如此。

思考問題，然後提出合理解釋，這是科學的基本過程，但在許多時候，所謂的「合理」解釋，都是基於我們生活中的「直覺」，這也是為什麼從托勒密符合生活直觀的「地心...

中文版代序：從金魚缸中拼湊宇宙的面貌／孫維新

1 存在之奧祕
2 法則的支配
3 真實是什麼？
4 多重歷史
5 萬物理論
6 選擇我們的宇宙
7 乍看下的奇蹟
8 大設計

字彙
誌謝

中文版代序：從金魚缸中拼湊宇宙的面貌／孫維新

1 存在之奧祕
2 法則的支配
3 真實是什麼？
4 多重歷史
5 萬物理論
6 選擇我們的宇宙
7 乍看下的奇蹟
8 大設計

字彙
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