为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，当宇宙的尺度大到二倍。其中的任何物体或辐射都变得更凉。当它们变&#，人们现当宇宙膨胀时，它是假定从早到เ大爆炸时刻起宇宙就。必须ี先按照ั，互相吸引的粒子开始结块。更有甚者，宇宙的变凉对于其中的物质就会有较大的效应。在非常高的温度下，粒子会运动得如此之快，以至于能ม逃脱任何由á核力或电磁力将它们吸引一起的作用。但是可以预ไ料，在此模型中ณ，它的温度就降低到&。由á于温度即是粒&，连存在于宇宙中的粒子的种类也依赖于温度。在足够高的温度下，只要它们碰撞就会产生，粒子的能量是如此之ใ高，虽然其中一些粒子打到เ反粒子上去时会湮灭，但是它们产生得比湮灭得更快。在更，然而，碰撞粒子具有较小的能ม量，粒子／反粒子对产生得不快，而湮灭则变得比产生更快。
19๗4๒8年，科学家乔治·伽莫夫和他的学生拉夫·阿尔法在合写的一篇著名的论文中，第一次提出了宇宙的热的早ຉ期阶段的图像。伽莫夫颇็有幽默——他说服了核物理学家汉斯·贝特将他的名字加到这论文上面，使得列ต名作者为“阿尔法、贝特、伽莫夫”，正如希腊ຘ字母的前三个：阿尔法、贝他、伽玛，这特别适合于一篇关于宇宙开初的论文！他们在此论文中作出了一个惊人的预言：宇宙的热的早ຉ期阶段的辐射以光子的形式今天还应在周围存在，但是其温度已๐被降低到只比绝对零度一2๐73๑cນ高几度。这正是彭齐亚斯和威尔逊在19๗65年现的辐射。在阿尔法、贝特和伽莫夫写此论文时，对于质子和中子的核反应了解得不多。所以对于早期宇宙不同元素比例所作的预言相当不准确，但是，在用更好的知识重新า进行这些计算之后，现在已和我们的观测符合得非常好。况且，在解释宇宙为何应该有这么多氦时，用任何其他方แ法都是非常困难的。所以，我们相当确信，至少一直回溯到大爆炸后大约一秒钟็为ฦ止，这个ฐ图像是正确无误的。
埃得温·哈勃用上述方法算出了九个不同星系的距离。现在我们知道，我们的星系只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个，每个星系本身都包含有几千亿颗恒星。图3๑1所示的便是一个螺旋๙星系的图，从生活在其他星系中的人来看我们的星系，想必也是类似这个ฐ样子。我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋๙转着的星系中ณ；在它的螺旋๙臂上的恒星绕着它的中ณ心公转一圈大约花几亿年。我们的太阳只不过是一个平常的、平均大小的、huaທng色的恒星，它靠近在一个ฐ螺旋臂的内边缘。我们离开亚里士多德和托勒密的观念肯定是相当遥远了，那时我们认为地球是宇宙的中心！
在20年代天文学家开始观察其他星系中的恒星光谱时，他们现了最奇异的现象：它们和我们的银河系一样具有吸收的特征线族，只是所有这些线族都向光谱的红端移动了同样相对的量。为了理解这个含意，我们必须ี先理解多普勒效应。我们已经知道，可见光即是电å磁场的起伏或波动，其频率或每秒的振动数高达4到เ7๕百万亿次的振动。对不同频๗率的光，人的眼睛看起来为ฦ不同颜色，最低的频率出现在光谱的红端，而最高频率在蓝端。想像在离开我们一个固定的距离处有一光源——例如恒星——以固定的频๗率出光波，显然我们接受到เ的波频๗率和出时的频率一样星系的引力场没有足够强到เ对它有明显的效应。现在假定这恒星光源开始向我们运动，当光源出第二个波峰时，它离开我们更近一些，这样此波峰到达我们处所用的时间比恒星不动时要少。这意味着，这两ä个ฐ波峰到เ达我们的时间间隔变小了，所以我们接收到的波的每秒振动数频๗率比恒星静止时高。同样，如果光源离我们而去，我们接收到的波频๗率就变低了。所以对于光来说，这意味着，当恒星离开我们而去时，它们的光谱向红端移动红移；而当恒星靠近我们而来时，光谱则ท蓝ณ移。这个称之为多普勒效应的频๗率和度的关系是我们日常所熟悉的，例如我们听路上来往小汽车的声音：当它开过来时，它的动机的音调变高对应于声波的高频率；当它通过我们身边而离开时，它的音调变低。光波或无线电波的行为与之ใ类似。警察就是利用多普勒效应的原理，以无线电波脉冲从车上反射回来的频率来测量车。
回头再说时间箭头，余下的问题是；为何我们观察到热力学和宇宙学箭头指向同一方向？或换言之ใ，为ฦ何无序度增加的时间方向正是宇宙膨胀的时间方向？如果人们相信，按照无边界假设似乎所隐含的那ว样，宇宙先膨胀然后重新收缩，那么为何我们应在膨胀相中ณ而不是在收缩相中ณ，这就成为一个问题。
人们可以在弱人择原理的基础上回答这个问题。收缩相的条件不适合于智慧人类的存在，而正是他们能够提出为何无序度增加的时间方向和宇宙膨胀的时间方向相同的问题。无边界ศ假设预ไ言的宇宙在早期阶段的暴涨意味着，宇宙必须ี以非常接近为ฦ避免坍缩所需要的临ภ界率膨胀，这样它在很长的时间内才不至坍缩。到เ那ว时候所有的恒星都会烧尽，而在其中ณ的质子和中子可能ม会衰变成轻粒子和辐射。宇宙将处于几乎完全无序的状态，这时就不会有强的热力学时间箭头。由于宇宙已经处于几乎ๆ完全无序的状态，无序度不会增加很多。然而，对于智慧生命的行为来说，一个强的热力学箭头是必需的。为ฦ了生存下去，人类必须ี消耗能量的一种有序形式——食物，并将其转化成能量的一种无序形式——热量，所以智慧生命不能ม在宇宙的收缩相中存在。这就解释了，为ฦ何我们观察到เ热力学和宇宙学的时间箭头指向一致。并不是宇宙的膨胀导致无序度的增加，而是无边界条件引起无序度的增加，并且只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。
总之，科学定律并不能区分前进和后退的时间方แ向。然而，至少存在有三个时间箭头将过去和将来区分开来。它们是热力学箭头，这就是无序度增加的时间方แ向；心理学箭头，即是在这个时间方แ向上，我们能记住过去而不是将来；还有宇宙学箭头，也即宇宙膨胀而不是收缩的方向。我指出了心理学箭头本质上应和热力学箭头相同。宇宙的无边界假设预言了定义แ得很好的热力学时间箭头，因为ฦ宇宙必须从光滑、有序的状态开始。并且我们看到，热力学箭头和宇宙学箭头的一致，乃是由于智慧生命只能ม在膨胀相中存在。收缩相是不适合于它的存在的，因为ฦ那儿没有强的热力学时间箭头。
人类理解宇宙的进步，是在一个无序度增加的宇宙中ณ建立了一个ฐ很小的有序的角落。如果你记住了这本书中的每一个词，你的记忆就记录了大约2๐00่万单位的信息——你头脑中ณ的有序度就增加了大约2๐00万单位。然而，当你读这本书时，你至少将以食物为ฦ形式的1้千卡路里的有序能ม量，转换成为以对流和汗释放到เ你周围空气中ณ的热量的形式的无序能量。这就将宇宙的无序度增大了大约20亿亿亿单位，或大约是你头脑中ณ有序度增量——那是如果你记住这本书的每一件事的话——的1้干亿亿倍。我试图在下一章更增加一些我们头脑的有序度，解释人们如何将我描述过的部分理论结合一起，形成一个完整的统一理论，这个理论将适用于宇宙中ณ的任何东西。第十章物理学的统一
正如在第一章中所解释的，一下子建立一个包括宇宙中每一件东西的完整的统一理论是非常困难的。取而代之，我们在寻求描述生在有限范围的部分理论方面取得了进步。我们忽略๓了其他效应，或者将它们用一定的数字来近似。例如，当我们用化学来计算原子间的相互作用时，可以不管原子核内部ຖ的结构。然而，最终人们希望找到เ一个完整的、协调的、将所有这些部分理论当作它的近似的统一理论。在这理论中不需要选取特定的任意数值去符合事实。寻找这样的一个理论被称之为“物理学的统一”。爱因斯ั坦用他晚年的大部ຖ分时间去寻求一个ฐ统一理论，但是没有成功，因为ฦ尽管已有了引力和电磁力的部份理论，但关于核力还知道得非常少，所以时间还没成熟。并且，尽管他本人对量子力学的展起过重要作用，但他拒绝相信它的真实性。看来，不确定性原理还是我们在其中生活的宇宙的一个基本特征。所以，一个成功的统一理论必须ี将这个原理合并进去。
正如我将描述的，由于我们对宇宙知道得这么多，现在找到เ这样的一个理论的前景似乎ๆ是好得多了。但是我们必须ี小心，不要过份自信——我们在过去有过错误的奢望！例如，在本世纪初ม，曾经以为每件东西都可以按照连续物质诸如弹性和热导的性质予以解释。原子结构和不确定性原理的现使之ใ彻底破产。然后又有一次，19年物理学家、诺贝尔奖获得者马克斯ั·玻恩告诉一群来哥丁根大学的访问者：“据我们所知，物理学将在6个ฐ月之ใ内结束。”他的信心是基于狄拉克新า近现的能够制约电å子的方程。人们认为质子——这个当时仅知的另一种粒子——服从类似的方程，并且这是理论物理的终结。然而，中子和核力的现对此又是当头一棒。讲到这些，在谨慎乐观的基础上，我仍然相信，我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。
在前几章中，我描述了引力的部分理论即广义相对论和制ๆ约弱、强和电磁力的部分理论。这后三种理论可以合并成为所谓的大统一理论gut。这个ฐ理论并不令人非常满意，因为它没有包括引力，并且因为包含譬如不同粒子的相对质量等不能ม从理论预言，而必须人为选择以适合观测的一些量。要找到一个将引力和其他力相统一的理论，困难在于广义แ相对论是一个“经典”理论；也就是说，它没有将量子力学不确定性原理合并在里面。另一方面，其他的部ຖ分理论以非常基本的形式依赖于量子力学，所以第一步必须将广义相对论和量子力学结合在一起。正如我们已๐经看到的，这能产生一些显著的推论，例如黑洞不是黑的；宇宙没有任何奇点并且是完全自足的、没有边界的。正如第七章所解释的，麻烦在于不确定性原理意味着甚至“空的”空间也是充满了虚的粒子和反粒子，这些粒子对具有无限的能量，并且由爱因斯坦的著名方程e＝mc＾2可知，这些粒子具有无限的质量。这样，它们的引力的吸引就会将宇宙卷曲到เ无限小的尺度。
相当类似地，在其他部分理论中也生颇似荒谬的无限大，然而，所有这些情形下的无限大都可用称之为重正化的过程消เ除掉。这牵涉到引入其他的无限大去消除这些无限大。虽然在数学上这个技巧ู相当令人怀疑，而在实际上似乎确实行得通，并用来和这些理论一起作出预言，这预言极其精确地和观测相一致。然而，从企图找到เ一个ฐ完全理论的观点看，由á于重正化意味着质量和力的强度的实际值不能ม从理论中得到预言，必须ี被选择以去适合观测，因此重正化有一严重的缺陷。
试图将不确定性原理合并到เ广义แ相对论时，人们只有两ä个可以调整的量：引力强度和宇宙常数的值。但是调整它们不足以消เ除所有的无穷大。所以人们得到เ一个ฐ理论，它似乎ๆ预ไ言了诸如空间一时间的曲率的某些量真的是无穷大，但是观察和测量表明它们地地道道是有限的！人们对于合并广义相对论和不确定性原理的问题怀疑ທ了许久，直到1้972年才为ฦ仔细的计算所最后确证。4年之后，人们提出了一种叫做“引力”的可能ม的解答。它的思想是将携带引力的自旋为2称为引力子的粒子和某些其他具有自旋๙为3／2๐、1้、1／2๐和0่的新า粒子结合在一起。在某种意义上，所有这些粒子可认为是同一“粒子”的不同侧面。这样就将自旋为ฦ1／2和3／2的物质粒子和自旋为ฦ0่、1和2的携带力的粒子统一起来了。自旋1้／2和3／2的虚的粒子反粒子对具有负能量，因此抵消เ了自旋为ฦ2、1和0的虚的粒子对的正能量。这就使得许多可能ม的无限大被抵消เ掉。但是人们怀疑，某些无穷大仍然存在。然而，人们需要找出是否还留下未被抵消เ的无穷大，这计算是如此之ใ冗长和困难，以至于没有人会准备着手去进行。即使使用一个ฐ计算机，预ไ料至少要用4年功夫，而且犯至少一个或更多错误的机会是非常高的。这样，只有其他人重复计算，并得到同样的答案，人们才能判ศ断ษ已๐取得了正确的答案，但这似乎ๆ是不太可能ม的！
尽管存在这些问题，尽管引力理论中的粒子似乎不与观察到的粒子相符合的这一事实，大部分科学家仍然相信，引力可能是对于物理学统一问题的正确答案。看来它是将引力和其他力相统一起来的最好办法。然而1้98๖4๒年，人们的看法显著地改变为ฦ更喜欢所谓的弦理论。在这些理论中ณ，基本的对象不再是只占空间单独的点的粒子，而是只有长度而没有其他线度、像是一根无限细的弦这样的东西。这些弦可以有端点所谓的开弦，或它们可以自身尾相接成闭合的圈子闭弦图101้和图10่2๐。在每一时刻每一个粒子占据空间的一点。这样，它的历史可以在空间一时间用一根线代表“世界ศ线”。另一方面，在每一时刻๑一根弦占据空间的一根线。所以它在空间—时间里的历史是一个叫做世界片的二维面在这世界片上的任一点都可用两个数来描述：一个ฐ指明时间，另一个ฐ指明这一点在弦上的位置。一根开弦的世界片是一带子，它的边缘代表弦的端点通过空间—时间的路径图101；一根闭弦的世界ศ片是一个圆柱或一个ฐ管图102；一个ฐ管的截面是一个圈，它代表在一特定时刻๑的弦的位置。
图1้01图1้02๐
两根弦可以连接在一起，形成一根单独的弦。在开弦的情形下只要将它们端点连在一起即可图1้03๑；在闭弦的情形下，像是两条裤腿合并成一条裤子图1้04๒。类似地，一根单独的弦可以分成两ä根弦。在弦理论中，原先以为是粒子的东西，现在被描绘成在弦里传播的波动，如同振动着的风筝的弦上的波动。一个粒子从另一个ฐ粒子射出来或者被吸收，对应于弦的分解和合并。例如，太阳作用到地球上的引力，在粒子理论中ณ被描述成由á太阳上的粒子射出并被地球上的粒子所吸收的引力子图1้05。在弦理论中，这个ฐ过程相应于一个h形状的管图1้06๔弦理论有点像管道工程。h的两个垂直的边对应于太阳和地球上的粒子，而水平的横杠对应于在它们之间传递的引力子。
图103๑
图1้0่4
图105图1้06
弦理论有一个ฐ古怪的历史。它原先是6๔0年代后期明来试图找出一个ฐ描述强作用的理论。其方แ法是，诸如质子和中子这样的粒子可被认为ฦ是一根弦上的波动。这些粒子之间的强作用力对应于连接于其他一些弦之间的弦的片段——正如蜘蛛网一样。这弦必须像具有大约10吨拉力的橡皮带，才能使理论给出粒子之间强作用力的观察值。
1้9๗74年，巴黎的朱勒·谢尔克和加州ะ理工ื学院的约翰·施瓦兹表了一篇论文，指出弦理论可以描述引力，但是只不过其张力要大得多，大约是1千万亿亿亿亿吨1้后面跟3๑9๗个0่。在通常尺度下，弦理论和广义แ相对论的预言是相同的，但在非常小的尺度下，比十亿亿亿亿分之一厘米1厘米被1后面跟33๑个ฐ0่除更小时，它们就不一样了。然而，他们的工ื作并没有引起很大的注意，因为ฦ大约正是那ว时候。大多数人抛弃了原先的强作用力的弦理论，而倾心于夸克和胶子的理论，后者似乎ๆ和观测符合得好得多。谢尔克死得很惨他受糖尿病折磨，在周围没人给他注射胰素า时昏迷死去。这样一来，施瓦兹几乎成为ฦ弦理论的唯一支持者，只不过现在设想的弦张力要大得多而已๐。
19๗84年，因为两个ฐ明显的原因，人们对弦理论的兴趣突然复活。一个ฐ原因是，在证明引力是有限的，以及解释我们观察到的粒子的种类方แ面，人们未能ม真正取得进展。另一个ฐ原因是，约翰·施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的麦克·格林表的一篇论文指出，弦理论可以解释内禀的左旋性的粒子存在，正如我们观察到เ的一些粒子那样。不管是什么原因，大量的人很快开始作弦理论的研究，而且展了称之为ฦ异形弦的新า形式，这种形式似乎能ม够解释我们观测到เ的粒子类型。
弦理论也导致无穷大，但是人们认为，它们在一种类似异形弦的变体中会被消เ除掉虽然这一点还没被确认。然而，弦理论有更大的问题：似乎只有当空间—时间是十维或二十六维，而不是通常的四维时它们才是协调的！当然，额外的空间—时间维数是科学幻想的老生常谈；的确，它们几乎是必不可少的，因为否则ท相对论对人们不能ม旅๓行得比光更快的限制意味着，由于要花这么长的时间，以至于在恒星和星系之间的旅๓行成为不可能。科学幻想的办法是，人们可以通过更高的维数抄近路。这一点可用以下方法描述。想像我们生活的空间只有二维，并且弯曲成像一个ฐ锚圈或环的表面图1้07๕。如果你是处在这圈的内侧的一边而要到另一边去，你必须沿着圈的内边缘走一圈。然而，你如果允许在第三维空间里旅行，则可以直穿过去。
图107๕
如果这些额外的维数确实存在，为ฦ什么เ我们没有觉察到它们呢？为何我们只看到三维空间和一维时间呢？一般认为，其他的维数被弯卷到非常小的尺度——大约为ฦ1英寸的一百万亿亿亿分之ใ一的空间，人们根本无从觉察这么เ小的尺度。我们只能看到一个ฐ时间和三个空间的维数，这儿空间—时间是相当平坦的。这正如一个ฐ桔子的表面：如果你靠非常近去看，它是坑坑洼洼的并有皱纹；但若离开一定的距离，你就看不见高低起伏而显得很光滑。对于空间—时间亦是如此。因此在非常小的尺度下，空间—时间是十维的，并且是高度弯曲的；但在更大的尺度下，你看不见曲率或者额外的维数。如果这个图像是正确的，对于自愿的空间旅๓行者来讲是个坏消เ息，额外附加的维实在是太小了，以至于不能允许空间飞船通过。然而，它引起了另一个重要问题：为何是一些而不是所有的维数被卷曲成一个小球？也许在宇宙的极早期所有的维都曾经非常弯曲过。为何一维时间和三维空间摊平开来，而其他的维仍然紧ู紧地卷曲着？
人择原理可能ม一个答案。二维空间似乎不足以允许像我们这样复杂生命的展。例如，如果二维动物吃东西时不能将之ใ完全消化，则它必须ี将其残渣从吞下食物的同样通道吐出来；因为ฦ如果有一个穿通全身的通道，它就将这生物分割成两个ฐ分开的部ຖ分，我们的二维动物就解体了图108。类似的，在二维动物身上实现任何血液循环都是非常困难的。
图108
多于三维的空间维数也有问题。两ä个物体之ใ间的引力将随距离衰减得比在三维空间中更快。在三维空间内，如果距离加倍则引力减少到1／4。在四维空间减少到เ1／8，五维空间1／16，等等。其意义แ在于使像地球这样绕着太阳的行星的轨道变得不稳定，地球偏离圆周轨道的最小微扰例如由á于其他行星的引力吸引都会引起它以螺旋线的轨道向外离开或向内落到เ太阳上去。我们就会被冻死或者被烧死。事实上，在维数多于三维的空间中，引力随距离变化的同样行为ฦ意味着，太阳不可能由于压力和引力相平衡，而存在于一个ฐ稳定的状态，它若不被分解就会坍缩形成黑洞。在任一情况下，作为ฦ地球上生命的热和光的来源来说，它没有多大用处。在小尺度下，原子里使电子绕着原子核运动的电å力行为ฦ正和引力一样，这样电子或者从原子逃逸出去，或者以螺旋的轨道落到原子核上去。在任一情形下，都不存在我们所知道的原子。
看来很清楚，至少如我们所知，生命只能存在于一维时间和三维空间没被卷曲得很小的空间—时间区域里。这表明，只要人们可以证明弦理论至少允许存在宇宙的这样的区域——似乎弦理论确实能ม做到这一点，则我们可以用弱人择原理。同样，也会存在宇宙的其他区域或其他宇宙不管那ว是什么含意，那里所有的维都被卷曲得很小，或者多于四维几乎是平坦的。但在这样的区域里，不会有智慧生物去观察这有效维数的不同数目。
弦理论被欢呼为物理学的终极统一理论之前，除了空间—时间呈现出来的维的数目这一问题外，还有几个其他问题必须解决。我们还不能确定，是否所有的无穷大会被对消เ去，或如何准确地将弦的波动和我们所观测到เ的粒子的特殊类型相关联。尽管如此，很可能ม在几年的时间里，这些问题的答案就能找到了，并且到了本世纪末，我们将知道弦理论是否确实是长期寐以求的物理学的统一理论。
但是，确实存在这样的一个统一理论吗？或者我们也许仅仅是在追求海市屋楼ä。看来存在三种可能ม性：
1้确实存在一个完整的统一理论，如果我们足够聪明的话，总有一天将会找到它。
2并不存在宇宙的最终理论，仅仅存在一个ฐ越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列。
3并不存在宇宙的理论；事件在一定程度之ใ外不可能被预ไ言，仅仅是以一种紊乱ກ或任意的方式生。
有些人基于以下理由会赞同第三种可能ม，如果存在一套完整的定律，这将侵犯上帝改变其主ว意并对世界ศ进行干涉的自由。这有点像那古老的二律背反：上帝能制ๆ造一个重到以至于它也不能将其举起的石块吗？但是上帝可能要改变主意的这一思想，这正如圣·奥古斯丁指出的，是一个ฐ想像上帝ຓ存在在时间里的虚妄的例子：时间只是上帝创น造的宇宙的一个性质。可以设想，当它创น造宇宙时它知道企图做什么！
随着量子力学的现，我们认识到，由于总存在一定程度的不确定性，不可能ม去完全精确地预言事件。如果有人愿意，他可以将此紊ฐ乱性归结为上帝ຓ的干涉แ。但这是一种非常奇怪的干涉：没有任何证据表明它具有任何目的。的确，如果它有目的，则按定义就不会是紊乱的。现代由于我们重新定义แ科学的目标，所以已经有效地排除了上述的第三种可能ม性：我们的目的只在于表达一套定律，这些定律能使我们在不确定性原理的极限内预言事件。
第二种可能ม性，也就是存在一无限的越来越精确的理论序列，是和迄今为止我们的经验相符合。在许多场合我们增加了测量的灵敏度，或者进行了新的类型的观测，只是为了现还没被现有理论预ไ言的新า现象，为了囊括这些，我们必须ี展更高级的理论。现代的大统一理论预ไ言：在大约1้0่0吉电å子伏的弱电统一能量和大约1千万亿吉电子伏的大统一能量之间，没有什么本质上新的现象生。所以，如果这个ฐ预言是错的话，人们并不会感到เ非常惊讶。我们的确可以预料é，能ม够去找几个新า的比夸克和电子——这些我们目前以为是“基本”粒子——更基本的结构层次。
然而，看来引力可以这个ฐ“盒子套盒子”的序列ต的极限。如果人们有一个比1千亿亿1้后面跟19๗个ฐ0吉电子伏的所谓普郎克能量更高能量的粒子，它的质量就会集中ณ到如此的程度，以至于会脱离宇宙的其他部ຖ分，而形成一个ฐ小黑洞。这样看来，确实当我们往越来越高的能量去的时候，越来越精密的理论序列应当有某一极限，所以必须有宇宙的终极理论。当然，普郎克能ม量离开大约几百吉电å子伏——目前在实验室中所能产生的最大的能ม量——非常远，我们不可能在可见的未来用粒子加器填补其间的差距！然而，宇宙的极早期阶段是这样大能量应该生的舞台。我以为ฦ，早期宇宙的研究和数学一致性的要求，很有可能ม会导致我们中的某些人在有生之年获得一个完整的统一理论。当然，这一切都是假定我们先不使自身毁灭的前提下而言的。
如果我们确实现了宇宙的终极理论，这意味着什么？正如第一章所解释的，我们将永远不能肯定我们是否确实找到เ了正确的理论，因为理论不能被证明。但是如果理论是数学上协调的并且总是给出与观察一致的预ไ言，我们便可以适度地有信心认为ฦ它是正确的。它将给人类为理解宇宙的智力斗ç争历史长期的光辉篇章打上一个休止符。但是，它还会改变常人对制约宇宙定律的理解。在牛顿ู时代，一个受教育的人至少在梗概上掌握整个人类知识。但从那以后，科学展的节奏使之ใ不再可能ม。因为理论总是被改变以囊括新的观察结果，它们从未被消化或简化到เ使常人能ม理解。你必须ี是一个专家，即使如此，你只能希望适当地掌握科学理论的一小部分。另外，其展的度是如此之快，以至于在中学和大学所学的总是有点过时。只有少数人可以跟得上知识快进步的前沿，但他们必须贡献他们的毕生，并局限在一个小的领域里。其余的人对于正在进行的展和它们产生的激动只有很少的概ฐ念。7๕0年以前，如果爱丁顿的话是真的，那么只有两个ฐ人理解广义相对论。今天，成千上万的大学研究生能ม理解、并且几百万人至少熟悉这种思想。如果现了一套完整的统一理论，以同样方法将其消化并简化，以及在学校里至少讲授其梗概，这只是时间的迟早问题。我们那时就都能ม够对制约宇宙的定律有所理解，并对我们的存在负责。
即使我们现了一套完整的统一理论，由于两个ฐ原因，这并不表明我们能一般地预ไ言事件。第一是我们无法避免不确定性原理给我们的预言能力设立的极限。然而，更为严å厉的是第二个ฐ限制ๆ。它是说，除了非常简单的情形，我们不能准确解出这理论的方程。在牛顿引力论中，我们甚至连三体运动问题都不能准确地解出，而且随着物体的数目和理论复杂性的增加，困难愈来愈大。除了在最极端状态下，我们已经知道规范物体行为ฦ的定律。特别ี是，我们知道作为ฦ所有化学和生物基础的基本定律。我们肯定还没有将这些学科归结为ฦ可解问题的状态；我们在从数学方程来预ไ言人类行为上只取得了很少的成功！所以，即使我们确实找到了基本定律的完整集合，在未来的岁月里，仍存在着展得更好的近似方แ法，使得我们在复杂而现实的情形下，能ม完成对可能ม结果的有用预言的、这一智慧的、富有挑战性的任务。一个完全的、协调的统一理论只是第一步，我们的目标是完全理解生在我们周围的事件以及我们自身的存在。第十一章结论
我们现自已๐是处于使人为ฦ难的世界ศ中。我们要为ฦ自己้在四周所看的一切赋予意义แ并问道：什么เ是宇宙的性质？我们在它之ใ中的位置如何，以及宇宙和我们从何而来？为何它是这个样子的？我们采用某种“世界图”’来试图回答这些问题，如同无限的乌龟塔——一个支持平坦的地球是这样的一种图象一样，弦理论也是一种图象。虽然后者比前者更数学化、更精确，但两者都是宇宙的理论。两个ฐ理论都缺乏观察的证据：没人看到一个背负地球的大龟，但也没有人看到เ弦。然而，龟理论作为ฦ一个好的科学理论是不够格的，因为ฦ它预言了人会从世界ศ的边缘掉下去。除非现它能为ฦ据说在百慕达三角消失的人解释。这个预ไ言和经验不一致！
最早先在理论上描述和解释宇宙的企图牵涉到เ这样的思想，事件或自然现象是由具备人类感情的灵魂所控制，它们的行为和人类非常相像，并且是不可预言的。这些灵魂栖息在自然对象之ใ中，诸如河流和山岳，包括诸如太阳和月亮这样的天体之中ณ。它们必须被祈祷ຕ并供奉，以保证土壤的肥沃和四季的变化。然而，一些规律性逐渐地被注意到เ：太阳总是东升西落，而不管是否用牺牲去对之进贡。更进一步，太阳、月亮和行星沿着以被预言得相当精确的轨道穿越天穹。太阳、月亮仍然还可以是神祗，只不过是服从严格定律的神。如果你不将耶和华停止太阳运行之类的神话当真，则这一切显然是毫不例外的。
先，只有在天文学和一些其他情形下，这些规则和定律是显而易见的。然而随着文明的展，特别是近30่0年期间，越来越多的规则和定律被现。这些定律的成功，使得拉普拉斯ั在1้9世纪初ม主张科学的宿命论。他提议只要给定宇宙在某一时刻的结构，由á给定的一组定律即能精确地决定它的演化。
拉普拉斯的宿命论在两个ฐ方面是不完整的。它没讲定律应该如何选择，也没指定宇宙的初ม始结构。这些都留给了上帝ຓ。上帝会选择让宇宙如何开始并要服从什么定律，但是一旦ຆ开始之后它将不再干涉。事实上，上帝是被限制于19๗世纪科学不能ม理解的领ๆ域里。
我们现在知道，拉普拉斯的宿命论的希望，至少在按照他头脑中的方แ式，是不能ม实现的。量子力学不确定性原理表明，某些诸如粒子的位置和度的对偶的量，不能ม同时以完全的精确度去预言。
量子力学通过一族量子理论来处理这种情形，粒子没有很好定义的位置和度，而是由一个ฐ波来代表。它们给出了这波随时间演化的定律，在这种意义แ上，这些量子理论从属于宿命论。这样，如果某一时刻๑这个ฐ波是已๐知的，便可以将任一时刻๑的波算出。只是当我们试图按照ั粒子的位置和度对波作解释之时，不可预ไ见性的紊乱的要素า才出现。但这也许是我们的错误：也许不存在粒子的位置和度，只有波。只不过是我们企图将波硬套到我们预ไ想的位置和度的观念之中而己。由á此导致的不一致乃是表面上不可预ไ见性的原因。
事实上，我们已经重新า将科学的任务定义แ为现能使我们在由不确定性原理设定的极限内预言事件的定律。然而，还存在如下问题：宇宙的定律和初ม始条件是如何及为ฦ何选取的？
在本书中ณ，我特别将制约引力的定律突出出来，因为正是引力使宇宙的大尺度结构成形，即使它是四类力中ณ最弱的一种。引力定律和直到เ相当近代还被坚持的宇宙随时间不变的观念不相协调：引力总是吸引的这一事实意味着，宇宙必须或者在膨胀或者在收缩。按照广义相对论，宇宙在过去某一时刻必须有一无限密度的状态，亦即大爆炸，这是时间的有效起始。类似地，如果整个ฐ宇宙坍缩，在将来必有另一个ฐ无限密度的状态，即大挤压，这是时间的终点。即使整个宇宙不坍缩，在任何坍缩形成黑洞的局部区域里都会有奇点。这些奇点正是任何落进黑洞的人的时间终点。在大爆炸或其他奇点，所有定律都失效，所以上帝仍然有完全的自由á去选择生了什么เ以及宇宙是如何开始的。
当我们将量子力学和广义แ相对论相结合，似乎产生了以前从未有过的新的可能性：空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界ศ的空间，这正如地球的表面，但有更多的维数。看来这种思想能ม够解释观察到เ的宇宙的许多特征，诸如它的大尺度一致性，还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的对此均匀性的偏离。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。但是如果宇宙是完全自足的、没有奇点或边界ศ、并且由á统一理论所完全描述，那么เ就对上帝ຓ作为ฦ造物主的作用有深远的含义แ。
有一次爱因斯坦问道：“在制造宇宙时上帝有多少选择性？”如果无边界假设是正确的，在选择初始条件上它就根本没有自由。当然，它仍有选择宇宙所服从的定律的自由。然而，实在并没有那ว么多的选择性；很可能ม只有一个ฐ或数目很少的完整的统一理论，它是自治的，并且允许复杂到像能研究宇宙定律和询问上帝本性的人类那ว样的结构的存在。
即使只存在一个ฐ可能的统一理论，那只不过是一组规则或方程。是什么เ赋予这些方แ程以生命去制ๆ造一个为ฦ它们所描述的宇宙？通常建立一个ฐ数学模型的科学方法不能ม回答，为ฦ何必须存在一个为ฦ此模型所描述的宇宙这样的问题。为ฦ何宇宙陷入其存在性的错综复杂之中ณ？是否统一理论是如此之ใ咄咄逼人，以至于其自身之实现成为不可避免？或者它需要一个造物主ว？若是这样，它还有其他的宇宙效应吗？又是谁创น造了造物主？
迄今，大部分科学家太忙于展描述宇宙为ฦ何物的理论，以至于没工ื夫去过问为ฦ什么的问题。另一方面，以寻根究底为己任的哲学家不能ม跟得上科学理论的进步。在18世纪，哲学家将包括科学在内的整个人类知识当作他们的领ๆ域，并讨论诸如宇宙有无开初ม的问题。然而，在19๗和2๐0世纪，科学变得对哲学家，或除了少数专家以外的任何人而言，过于技术性和数学化了。哲学家如此地缩小他们的质疑的范围，以至于连维特根斯ั坦——这位本世纪最著名的哲学家都说道：“哲学仅余下的任务是语言分析。”这是从亚里士多德到เ康德以来哲学的伟大传统的何等的堕落！
然而，如果我们确实现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人而不仅仅是少数科学家所理解。那时，我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能参加为ฦ何我们和宇宙存在的问题的讨论。如果我们对此找到了答案，则ท将是人类理智的最终极的胜利——因为ฦ那ว时我们知道了上帝的精神。
阿尔贝特·爱因斯ั坦
爱因斯坦和核弹政治的瓜葛是众所周知的：他签署了那封著名的致富兰克林·罗斯福总统的信，说服美国认真考虑他的想法，并且他在战后从事阻止核战争的各项ำ努力。但是，这些不仅仅是一位科学家被拖入政界的孤立行动。事实上，爱因斯坦的一生用他自己้的话来说是“踌躇于政治和方程之ใ间。”
爱因斯坦最早从事政治活动是在第一次世界大战，当时他在柏林当教授。由于目睹草菅人命而不胜厌恶，他卷入了反战示ิ威。他拥护国内反抗以及公开鼓励人民拒绝征兵，因而不讨他的同事们喜欢。后来，在战时他又致力于调解和改善国际关系。这也不得人心，而且他的政治态度很快使他难以访问美国，甚至连讲学都有困难。
爱因斯坦第二个ฐ伟大的事业是犹太复国主义แ。虽然他在血统上是犹太人，但他拒绝《圣经》上关于上帝ຓ的说法。然而，第一次世界ศ大战之前和期间，他越看清反犹主义，这导致他逐渐和犹太团体相认同，而后成为ฦ一个直言不讳的犹太复国主义的拥护者。再度不受欢迎也未能阻止他表自己的主张。他的理论一表就受到เ攻击，甚至成立了一个ฐ反爱因斯ั坦的组织。有一个人被定罪为教唆他人去谋杀爱因斯坦只罚了6美金。但爱因斯坦是冷静的：当一本书以题为《1้00่个反爱因斯坦的作家》出版时，他反驳道：“如果真是我错了的话，那么一个ฐ人反对我就足够了！”
1933年，希特勒上台了，爱因斯ั坦正在美国，他宣布不再回德国。后来纳粹义勇军抄查了他的房子，并没收了他的银行账号。一家柏林报纸的头条写道：“来自爱因斯坦的好消息——他不回来了。”面对着纳粹的威แ胁，爱因斯坦放弃了和平主ว义，终于忧虑到德国科学家会制ๆ造核弹，因而建议美国应该展自己้的核弹。但是，即使在第一枚原子弹爆炸之前，他就曾经公开警告过核战争的危险，并提议对核武器进行国际控制。
贯穿爱因斯坦一生，他致力于和平的努力可能成效甚微——肯定只说服了很少的朋友。然而，他对犹太复国主ว义事业的口头支持在1้952年被及时承认，其时他被推荐为以色列ต的总统。但他谢绝了。他说他认为ฦ自己在政治上太天真。可是，也许其真正的原因却并非如此，再次引用他自己的话：“方แ程对我而言更重要些，因为政治是为ฦ当前，而一个ฐ方程却是一种永恒的东西。”
伽利雷·伽利略
伽利略可能比任何其他的人更有资格称为ฦ近代科学的奠基人。其与天主教会名闻遐迩的冲突是他哲学的中心事件。这是因为伽利ำ略是作如下论断最早的人之一：人类有望理解世界是怎样运行的，而且我们还能通过观察现实世界ศ来做到这一点。
伽利ำ略很早就相信哥白尼理论即行星绕太阳公转，但只有当他现了证据来支持这一学说时，才公开表示ิ支持。他用意大利文写有关哥白尼理论的文章没有用普通的学院式拉丁文，并且他的观点很快就广泛地得到เ大学界之外的支持。这惹怒了亚里士多德派的教授们，他们联合起来反对他，并极力说服天主教会禁止哥白尼主ว义แ。
伽利略๓为此而担心，他赶到罗马去向天主教权威แ当面申诉。他争辩道，《圣经》并未试图告诉我们任何关于科学理论的东西，通常都是假定，当《圣经》和常识生矛盾时，就成为比喻。但是教会害怕这丑闻可能伤害它对新า教徒的斗ç争，所以采取了镇压的手段。1้6๔1้6年，它宣布哥白尼主ว义是“虚伪的、错误的”，并命令伽利略๓不准再“保卫或坚持”这一学说。伽利ำ略๓勉强接受了。
1623年，伽利ำ略的一位长期朋友成为教皇。伽利略立即试图为161้6年的判ศ决翻案。他失败了，但他设法获得了准许，在两个前提下写一本叙述亚里士多德派和哥白尼派理论的书：他不能有倾向，同时要得出结论，人类在任何情况下都无法决定世界ศ是如何运行的，因为上帝会以人类不能想像的方法来达到เ同样的效果，而人类不能限制上帝ຓ的万能ม。
这本题为ฦ《关于两ä个主ว要世界ศ体系的对话》的书，于163๑2๐年在检查官的全面支持下完成并出版了，并且立刻被全欧洲欢呼为ฦ文学和哲学的杰作。不久教皇就意识到เ，人们把这本书看作是确认哥白尼主义แ的论证，后悔允许该书出版。教皇指出，虽有检查官正式批准出版该书，但伽利略依然违背了1้6๔1้6年的禁令。他把伽利略带到เ宗教法庭面前，宣布他终身软禁，并命令他公开放弃哥白尼主ว义。伽利ำ略又第二次被迫从命。
伽利ำ略๓始终是一个ฐ忠实的天主教徒，但是他对科学独立的信仰从来未被动摇过。1้64๒2年，即他逝世前4๒年，当他仍然被软禁时，他第二本主ว要著作的手稿被私下交给一个ฐ荷兰的出版商。正是这本被称为《两ä种新า科学》的书，甚至比支持哥白尼更进一步，成为现代物理学的起源。伊萨克·牛顿
伊萨克·牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。他晚年的大部分时间都是在激然的争吵纠纷中ณ渡过。随着那部肯定是物理学有史以来最有影响的书——《数学原理》的出版，牛顿ู很快就成为ฦ名重一时的人物。他被任命为ฦ皇家学会主ว席，并成为第一个ฐ被授予爵士的科学家。
牛顿不久ื就与皇家天文学家约翰·夫莱姆斯ั梯德生冲突。他早先曾牛顿许多《原理》一书所需的数据，后来他扣压了牛顿需要的资料。牛顿是不许别人回答“不”字的，他自封为皇家天文台的大总管，然后迫使立即出版这些数据。最后，他指使夫莱姆斯梯德的冤家对头爱德蒙·哈雷夺得夫莱姆斯梯德的工ื作成果，并且准备出版。可是夫莱姆斯梯德告到法庭去，在最紧ู要关头，赢得了法庭的判ศ决：不得散这剽窃的著作。牛顿被激怒了，作为ฦ报复，他就在后来的《原理》版本中系统地删除所有来自夫莱姆斯梯德的引证。
他和德国哲学家高特夫瑞德·莱布尼兹之ใ间生了更严å重的争吵。莱布尼兹和牛顿各自独立地展了叫做微积分的数学分支，它是大部分近代物理的基础。虽然现在我们知道，牛顿ู现微积分要比莱布尼兹早ຉ若干年，可是他很晚才出版他的著作。随着关于谁是第一个现者的严重争吵的生，科学家们激烈地为双方แ作辩护。然而值得注意的是，大多数为牛顿ู辩护的文章均出自牛顿ู本人之手，只不过仅仅用朋友的名义出版而已๐！当争论日趋激烈时，莱布尼兹犯了向皇家学会起诉来解决这一争端的错误。牛顿作为ฦ其主席，指定了一个清一色的由牛顿ู的朋友组成的“公正的”委员会来审查此案。更有甚者后来牛顿自己写了一个委员会报告，并让皇家学会将其出版，正式地谴责莱布尼兹剽窃。牛顿ู还不满意，他又在皇家学会自己的杂志上写了一篇匿名的、关于该报告的回顾。据报道，莱布尼兹死后，牛顿扬言他为伤透了莱布尼兹的心而洋洋得意。
在这两ä次争吵期间，牛顿已๐经离开剑桥和学术。在剑桥他曾积极从事反天主教运动，后来在议会中也很活跃，最终作为ฦ酬报，他得到เ皇家造币厂厂长的肥缺。在这里，他以社会上更能ม接受的方式，施展他那ว狡狯和刻薄的能ม耐，成功地导演了一场反对伪币的重大战役，甚至将几个ฐ人送上了绞刑架。
小辞典
绝对零度：所能达到เ的最低的温度，在这温度下物体不包含热能ม。