第17章 偉大設計 (1)
在本書中，我們描述了諸如太陽、月亮和行星的天體運動中的規則如何暗示著它們是由固定的定律製約而非受神魔奇思怪想的驅動。起初這樣定律隻在天文學(或者占星學，那時這幾乎被認為是一回事)中明顯存在。地球上東西的行為是如此複雜並且受到這麽多影響，使得早期文明不能夠辨別出任何統治這些現象的清楚模式或者定律。然而，在天文學之外的其它領域中，新定律被逐漸發現，而這導致科學決定論的思想：必須存在定律的完備集合，隻要給定宇宙在某一特殊的時刻的狀態，它就指明宇宙從那個時刻往前宇宙如何發展。這些定律應在任何地方任何時刻都成立；否則的話它們就不是定律。不可能有例外或者奇跡。神祗或魔鬼都不能幹涉宇宙的運行。
在科學決定論首次提出的年代，牛頓的運動定律和引力定律是僅知的定律。我們描述了愛因斯坦在其廣義相對論中如何推廣這些定律，以及人們如何發現製約宇宙中其它方麵的其它定律。
自然的定律告訴我們宇宙如何行為，但它們並未回答我們在本書開頭提出的為何的質問：
為何存在實在之物而非一無所有？
為何我們存在？
為何是這一族定律而非別的？
有人會宣稱這些問題的答案是存在選取以那種方式創生宇宙的上帝之存在。詢問何人或何物創造了宇宙是合理的，倘若答案是上帝，那麽問題隻不過是被轉換成誰創造上帝的問題。按照這種觀點，存在某種不需要造物主的實體，而那個實體被稱作上帝，這就可被接受了。這是作為對上帝存在的第一原因論證而眾所周知。然而我們宣布，純粹在科學的王國中，而不必乞求任何神即能回答這些問題。
根據第三章引進的依賴模型的現實主義的思想，我們的頭腦通過對外部世界作一個模型來解釋來自我們感官的輸入。我們形成了我們的房子、樹、其他人、從牆上插頭流出的電、原子、分子，以及其它宇宙的心理概念。這些心理概念是我們所能知道的僅有的實在性。不存在不依賴模型的實在性檢驗。由此得出結論，一個很好建立的模型創生於其自身的實在性。1970年劍橋的一位名叫約翰·康威的年輕數學家發明的生命遊戲便是一個幫助我們思索實在性和創生問題的例子。
在生命遊戲中的“遊戲”這個詞是誤導的術語。不存在贏者和輸者；事實上，不存在遊戲者。生命遊戲不是真正的遊戲，隻不過是製約一個兩維宇宙的一族定律。它是一個決定性的宇宙：一旦你設立啟始位形，或初始條件，定律確定在將來發生什麽。
康威猜想的世界是一個方形排陣，象一個棋盤，但在所有方向上無限延伸。每個方塊可處於二個態中的一個：活或死。每個方塊有八個鄰居：上、下、左、右以及四個對角鄰居。在這個世界中時間不是連續的，而是向前以分立的步驟前進。在給定的任何死生方塊的位形下，活鄰居的數目根據下一麵的法律確定下一步發生什麽：
1、一個具有二或三個活鄰居的活方塊存活(存活)。
2、剛好具有三個活鄰居的死方塊成為活細胞(誕生)。
3、在所有其它情形下，一個細胞死去或保持死亡。在一個活的方塊具有零或一個鄰居的情形下，就說死於孤獨；如果它有多於三個鄰居，就說死於擁擠。
這就是全部：給定任何初始條件，這些定律就使之一代一代地延續下去。一個孤立的活方塊或者兩塊毗連的活方塊在下一代死亡，因為它們沒有足夠的鄰居。三個沿著對角方向的活方塊活得久一些。在第一步後端點的方塊死了，隻留下中間的方塊，它在後麵接著的那一代死去。任何方塊的對角線就以這種方式“蒸發”了。倘若三個活方塊放在水平的行上，中間的又因有兩個鄰居而存活，而兩端的方塊死亡，但在這個情形下，剛好位於中間上方和下方的細胞經曆了誕生。因此行變成了列。類似地在下一代列又回到了行，等等。這種震蕩的位形狀稱作眨眼。
如果三個活方塊擺成L形狀，會發生新的行為。在下一代被L抱著的方塊會誕生，導致一個2×2的方磚。方磚屬於稱作靜止生命的模式類，因為它會不變地一代代傳下去。存在很多在早代變體而很快轉成靜止生活，或死，或回到原先的形式而後重複這過程。
還存在滑翔器的模式，它變體成其它形狀幾代之後，回到原先的形狀，但在位置上沿著對角方麵移到下一個方塊。如果你看著這些隨時間發展，它們顯得沿著陣列爬行。當這些滑翔器碰撞，依在碰撞瞬間每個滑翔器的形狀而定可能發生古怪的行為。
盡管這個宇宙的基本“物理”很簡單，其“化學”能很複雜，使得這個宇宙很有趣。也就是說，存在不同尺度的複合物體。在最小的尺度上，基本物理告訴我們，隻存在活的和死的方塊。在較大尺度上，存在滑翔器，眨眼和靜止生活的磚塊。在更大的尺度上，甚至存在更複雜的物體，諸如滑翔槍：穩態的模式，它周期性地生養新的滑翔器，它離開巢沿對角線方向射去。
如果你在任何特別尺度上對生命遊戲的宇宙觀察一回，你就會推知製約那個尺度的物體的定律。例如：在斷麵隻有幾個方塊的物體的尺度上，你也許擁有諸如“磚頭永不運動，”“滑翔器在對角方麵移動，”的定律，以及當物體碰撞時發生什麽的各種定律。你可以在複合體的任何水平上創造整個物理學。這些定律需要用在原先定律中不存在的實體和概念來描述。例如在原先定律中沒有諸如“碰撞”或“運動”的概念。那些隻描述單獨穩態方塊的生與死。正如在我們的宇宙，在生命遊戲中你的實在性依賴於你利用的模型。
康威和他的學生之所以要創造這個世界，是因為他們想知道，具有簡單到他們定義的基本規則的一個宇宙能否包含複雜到足以複製自己的物體。在生命遊戲世界中，是否存在這種複合體，它僅僅在遵循那個世界定律幾代之後，將會產出它們的那種卵？康威和他的學生不僅能夠展示這是可能的，他們甚至還證明這樣的物體在一種意義上是智慧的。我們在這裏講的智慧是什麽意思呢？準確地講，他們證明了，能自複製的巨大的方塊凝聚是“普適圖靈機”。對於我們的目的而言，這意味著，對於在我們物理世界中的一台電腦，如果提供給它適當的輸入，任何計算都能夠在原則上被完成——也就是為生命遊戲提供適當的世界環境——那麽幾代之後機器就會處於一個狀態，從該狀態可以讀出輸出，它對應於那個電腦計算的結果。
為了稍微了解一下那如何實現，我們考慮當滑翔器被射到活方塊的簡單2×2方磚上會發生什麽，如果滑翔器直接靠近方磚，一直穩態的方磚就向前或從滑翔器的源往外運動。方磚以這種方式能模擬電腦記憶。事實上，一台現代電腦的所有基本功能，諸如和門和或門，也能從滑翔器創生。正如在物理電腦中利用電信號，滑翔器的序列可以這種方式被用來發送和處理信息。
在生命遊戲中，正如在我們的世界，自產生模式是複雜的物體。基於數學家約翰·馮·諾依曼的早先的工作，人們估計在生命遊戲中的自複製模式的最小尺度是十萬億方塊——大約為一個單獨人的細胞中的分子數目。
人們可以將生物定義為穩定並能複製自身的有限尺度的複雜係統。上述的對象滿足複製的條件，但也許不穩定：從外界來的微小擾動也許會破毀其脆弱的機製。然而，很容易想象，稍微複雜的定律會允許具有生命所有品格的複雜係統。想象那種類型的一個實體，在康威類型世界中的一個對象。這樣的對象會對外界的刺激反應，因此顯得在做決定。這樣的生命有自我意識嗎？這是一個有關意見極端對立的問題。有些人宣布自我意識是人類獨有的東西。它賦予他們以自由意誌，在不同的行動過程中作選擇的能力。
人們何以識別一個存在是否具有自由意誌？如果人們邂逅一個外星人，何以辨識它隻不過是一個機器人或擁有自己的精神？機器人的行為是完全被確定的，不象具有自由意誌生物的行為。這樣人們可在原則上檢測出機器人是一個行為能被預言的存在。正如我們在第二章說過的，如果該存在很大很複雜，就或許困難的實現不了。我們甚至不可能精確地解三個或更多的相互作用的粒子的方程。由於具有人的尺度的外星人大約會包含一千億億億個粒子，即便外星人是一個機器人，也不可能解這方程並預言其要做什麽。因此，我們隻好說，任何複雜存在具有自由意誌——不做為一個基本的特性，卻做為一個有效理論，承認我們沒能力做出能使我們預言其行為的計算。
康威生命遊戲的例子顯示，甚至一族非常簡單的定律能產生類似於智慧生命擁有的複雜特征。一定存在許多族具有這個性質的定律。是什麽把製約我們宇宙的基本定律(和表觀定律相對)挑出來？正如在康威宇宙中，給定在任何一個時刻的狀態，我們宇宙的定律確定係統的演化。我們是康威宇宙的造物主——我們在遊戲的起始指定對象及其位置，由此選擇宇宙的初始狀態。
在物理的宇宙中，諸如在生命遊戲中的滑翔機的物體的對應物是孤立的物體。任何一組描述諸如我們自身連續世界的定律都必須擁有能量概念。這是一個守恒的量，表明它不隨時間而變化。真空的能量必須是常數，既與時間無關，也與位置無關。人們測量空間中任何體積的相對於真空的同一體積能量，由此減除這個常真空能，這樣我們也可以宣布這個常數為零。自然的任何定律必須滿足的一個要求是，它要求一個由真空環繞的孤立體的能量是正的，這意味著人們凝聚該物體必須作功。那是因為，如果一個孤立體的能量是負的，那麽它在一種運動的狀態下能創生出來，這樣它的負能量可被運動引起的正能量準確地平衡。如果這是真的，那就沒有理由物體不能在任何地方和所有地方出現。因此真空就會不穩定。倘若創生一個孤立物體要花費能量，這種不穩定性就不會發生，因為正如我們說過的，宇宙的能量必須保持常數。那就是保證宇宙局部穩定——保證東西不可能處處從無出現的原因。
如果宇宙的總能量必須總保持為零，而創生一個物體要消耗能量，那麽整個宇宙怎麽能從無中創生呢？這就是必須存在象引力這樣的定律的原因。因為引力是吸引的，引力能是負的：人們必須做功才能把引力束縛的係統諸如地球和月亮分離。這個負能量能平衡創生物體所需的正能量，但事情絕非如此簡單。例如，地球的負的引力能比地球由之構成的物質粒子的正能量的十億分之一還小。諸如一個恒星的物體會有更負的引力能，而它越小(它的不同部分相互靠得越近)，其負引力能就越大。然而，在它變成大於物體的正能量之前，該恒星一定塌縮成一個黑洞，而黑洞具有正能量。這就是為何真空是穩定的。諸如恒星和黑洞的物體不能就從無中出現。然而整個宇宙卻能。
因為引力賦形於空間和時間，它允許時空局部穩定但全體不穩定。在整個宇宙的尺度下，物質的正能量可被引力能的負能量平衡，這樣對於整個宇宙的創生並未添加任何限製。因為存在像引力那樣的定律，宇宙能夠並且將以在第六章中描述的方式從無之中把自己創生出來。自發創生是存在實在之物而非一無所有，為何宇宙存在，為何我們存在的原因。不必要祈求上帝點燃導火索使宇宙運行。
為何基本定律象我們描述的那樣？終極理論必須和諧而且對我們能測量的量必須預言有限的結果。我們已經看到，必須存在象引力的定律，而且我們在第五章看到，為了引力論預言有限的量，該理論必須具有在自然力和力作用其上的物質之間的所謂的超對稱。M理論是最一般的超對稱的引力論。由於這些原因，M理論是宇宙完備理論的僅存的候選者。如果它是有限的——這還有待證明——它就是一個創生自己的宇宙的一個模型。我們必須是這個宇宙的部分，因為不存在其它協調的模型。
M理論是愛因斯坦所希望找到的統一理論。我們人類——我們自身隻不過是自然的基本粒子的集聚——已經能夠這麽接近理解製約我們和我們宇宙的定律，這一事實就是一項偉大的勝利。但也許真正的奇跡在於，邏輯的抽象思考導致一個唯一的理論，它預言和描述了我們所看到的充滿令人驚異的千姿百態的浩淼宇宙。如果該理論被觀測所證實，它就將是長達三千年以上智力探索的成功終結。我們就將找到大設計。
小辭典——
另外曆史：量子論的一種表述，其中任何觀測的概率由所有能導致該觀測的可能曆史構成。
人存原理：我們基於我們存在的事實能得出有關物理表觀定律的結論的思想。
反物質：每種物質粒子都有相應的反粒子。如果它們相遇，它們就相互湮滅，隻餘下純粹能量。
表觀定律：我們在我們宇宙中觀察到的自然定律——四種力的定律以及諸如表征基本粒子的質量和荷的參數——與允許具有不同定律的不同宇宙的M理論的更基本定律相對照。
漸近自由：是強力的一個性質，使它在短距離下變弱。因此，雖然誇克在核子中被強力束縛，它們在核中可能運動，猶如它們根本沒有感受到力一樣。
原子：通常物質的基元，包含一個具有質子和中子的核，核被公轉的電子包圍。
重子：諸如質子和中子的一類基本粒子，由三個誇克構成。
大爆炸：宇宙的緊致、灼熱的開端。大爆炸理論假定，在大約137億年前，我們今天能看到的宇宙的部分隻有幾毫米那麽寬。現在宇宙變得非常大非常涼，然而我們能在彌漫於整個空間的宇宙微波背景幅射中觀察到那個早期的殘餘。
黑洞：時空的一個區域，由於它極大的引力而與宇宙的其餘部分隔離。
玻色子：攜帶力的基本粒子。
從底到頂的方法：在宇宙學中，依賴以下假設的思想，即存在宇宙單獨的曆史，該曆史具有明確定義的啟始點，以及現在宇宙的狀態是從那個啟始演化而來。
經典物理：物理學的任何理論，在該理論中假設宇宙具有單獨的明確定義的曆史。
宇宙常數：愛因斯坦方程中予時空以固有膨脹傾向的一個參數。
電磁力：自然的四種力中的第二強的力。它在具有電荷的粒子之間作用。
電子：物質的一種基本粒子，它具有負電荷，而且負責元素的化學性質。
費米子：物質類型的基本粒子。
星係：由引力束縛在一起的恒星、星際物質和暗物質的大的係統。
引力：自然四種力中最弱的力。具有質量的物體正是用它來相互吸引。
海森伯不確定性原理：量子論的一個定律，它是講物理性質的某些對不能同時在任意精度上知道。
介子：一類基本粒子，它是由誇克和反誇克構成。
M理論：物理學的基本理論，它是萬物理論的一個候選者。
多宇宙：一族宇宙。
中微子：一種極輕的基本粒子，它隻受弱核力和引力的作用。
中子：一類電中性的重子，它和質子形成原子核。
無邊界條件：宇宙的曆史是沒有邊界的閉合麵的要求。
相位：在波的循環中的位置。
光子：攜帶電磁力的玻色子。光的量子粒子。
概率幅度：在量子論中，其絕對值平方給出概率的複數。
質子：一類帶正電荷的重子，它與中子構成原子核。
量子論：一種在其中物體不具有單獨明確曆史的理論。
誇克：具有分數電荷的基本粒子，它感受強力。質子和中子各自由三個誇克組成。
重整化：設計來使在量子論中產生的無限具有意義的數學技藝。
奇點：時空中的點，在該處物理量變成無限大。
時空：一種數學空間，它的點必須既被指明空間坐標又被指明時間坐標。
弦論：物理學的理論，其中粒子被描述成振動的模式，振動具有長度卻無高度或寬度——就象一段無限細的弦。
強核力：自然的四種力中最強的力。這種力在原子核中把質子和中子束縛在一起。它還把質子和中子自身束縛在一起，因為它們是由更微小的粒子誇克組成，所以這是必須的。
超引力：引力論的一種，它擁有一種稱作超對稱的對稱。
超對稱：一種微妙的對稱，它不能和通常空間的變換相關。超對稱的一個重要含義是力粒子和物質粒子，也因此力和物質實際上隻是同一件東西的兩個方麵。
從頂到底方法：宇宙學的方法，在這方法中人們“從頂到底”，也就是從現在往過去追蹤宇宙曆史。
弱核力：自然的四種力的一種。弱力負責放射性並在恒星中以及早期宇宙中的元素形成中起極重要的作用。
感謝
宇宙有一個設計，而書也有一個。然而和宇宙不同，書不會從無中自發出現。一部書需要一個創造者，其角色並非全部落到作者的肩膀上。這樣，首先也是首要，我們願意感謝我們的編輯BethRashtaum和AnnHarris的近乎無限的耐心。我們需要學生時，她們是學生，我們需要老師時，她們是老師，而我們需要激勵時，她們是激勵者。她們專心致心興高采烈地處理手稿，無論是關於把逗號放在何處，還是不可能把負曲率的麵軸對稱地嵌入平坦空間中。
我們還想感謝：MarkHillery，他好心地閱讀了手稿的大部分並提供了有價值的意見；CaroleLowenstein，她對內部設計幫助良多；DavidStevenson，他指導完成封麵設計；和LorenNoveck，她的細致免除了許多在付印之前的我們不願見到的打印錯誤。非常感謝PeterBollinger：你將插圖將藝術帶給科學，你勤勉地保證每細節之準確。還要感謝SidneyHarris：感謝你的美妙卡通以及你對科學家麵臨問題的極度敏感。我們還因為得到的支持和鼓勵感激我們的代理人AlZackerman和SusanGinsburg。如果有兩個信息是他們一直提供的，那便是“是已經完成此書的時候了”，和“不要介意你們何時完成，你們最後總能完成。”他們足夠明智，知道什麽時候該說哪個。而最後，我們感謝史蒂芬的個人助理JudithCroasdell；他的電腦助手SamBlackburn以及JoanGodwin。他們不僅提供了精神支持，還提供了實際和技術支持，若無這些支持，我們就完成不了本書。此外，他們總知道去何處找到最好的酒吧。