大設計 - 第2章

日食

古人不知什麼引起日食，然而他們注意到其發生時的模式。

古人對自然方式的無知，導致他們去發明神祇對人類生活的方方面面作威作福。因而存在愛和戰爭之神；太陽、月亮和天空之神；海洋和河流之神；風雨雷電之神；甚至地震火山之神。當神高興時，人類便享受好天氣、和平，並免於自然災害和疾病。當他們不高興時，乾旱、戰爭、瘟疫和傳染病就降臨人間。由於人類看不到自然中原因和結果的聯繫，這些神就顯得不可思議，而人們被玩弄於其股掌之上。但是時到大約2600年前，出了個美里塔司的泰勒斯（約前624～約前547年），事情開始改觀。自然遵循着一致的可被解釋的原則的思想產生了。這就開始了利用宇宙概念來取代神權統治的長期過程。這個概念是：宇宙是由自然定律制約，也是按照我們將來總有一天能讀懂的藍圖創生的。

從人類歷史的大事年表看，科學探討只是一個非常新近的努力。我們物種智人是在大約公元前20萬年起源於撒哈拉沙漠以南的非洲。書寫語言僅可回溯至大約公元前7000年，是農耕社會的產物。（一些最早書寫的刻石是有關每位居民的啤酒每日定量。）古希臘偉大文明的最早書寫記錄可回溯到公元前9世紀。但該文明的高峰「古典時代」是在幾個世紀之後到來，始於比公元前500年略早一點。按照亞里士多德（前384～前322年）的說法，大約在那個時期，泰勒斯首先發展如下觀念，即世界可被理解，我們周圍的複雜事件可被歸結成較簡單的原理，並不訴諸神秘或神學的解釋而得到闡明。

首次預言公元前585年的日食是泰勒斯的功勞，雖然他預言的高度精確性也許只是碰好運的猜測。他是一位模糊的人物，沒為後世留下自己的任何著作。他的家是名叫愛奧尼亞地區的知識者中心之一。愛奧尼亞被希臘殖民，它的影響從土耳其最終及於意大利那麼遠的西方。愛奧尼亞科學是以強烈興趣來揭示基本規律以解釋自然現象為特徵的努力，是人類思想史上的一座巨大里程碑。他們的方法是理性的，在許多情形下得到令人驚異地類似於今天我們用更複雜方法使自己相信的結論。它代表了一個偉大的開端。但歲月更迭，愛奧尼亞科學中的許多都被遺忘了——只好重新發現或發明，有時甚至不止一次。

在傳說中，今天我們稱為自然定律的最早數學表述可回溯至一位名叫畢達哥拉斯（約前580～約前500年）的愛奧尼亞人，他借了以其名字命名的定理而聞名於世：直角三角形的斜邊（最長的邊）的平方等於其他兩邊的平方和。據說畢達哥拉斯發現了樂器中弦的長度和聲音的諧波組合的數值關係。用今天的語言，我們可將此關係描述成在固定張力下弦振動的頻率——每秒振動數——與弦長成反比。從實用的觀點看，這就解釋了為什麼低音吉他的弦必須比通常吉他的弦要長。畢達哥拉斯也許並沒有發現這個——他也沒有發現以他的名字命名的定理——但是現存的證據表明，人們那時就獲知弦長和音高之間的某種關係。若如此，可以將那個簡單的數學公式當做今天我們稱為理論物理的第一個事例。

除了畢達哥拉斯弦長定律，古代人正確通曉的物理定律只有3條，那是由阿基米德（約前287～約前212年）詳述的。阿基米德是古代最傑出的物理學家，遠高過所有其他人。三條定律，用今天的術語講，槓桿定律解釋了，因為增加力臂與重臂之比將一個力放大，所以用小的力可以舉起大的重物。浮力定律是說，浸入液體的物體，都會受到一個向上的作用力，力的大小等於物體所排開的液體的重量。而反射定律斷言，一束光和鏡面的夾角等於其反射光束和鏡面的夾角。但是阿基米德沒有把它們稱作定律，他也未就有關觀察和測量對它們做解釋。他反而將它們處理成仿佛是在一個公理體系中的純粹數學定理，該體系很像歐幾里得為幾何創立的那個體系。

愛奧尼亞

古代愛奧尼亞的學者是最早通過自然定律而非神學或神話來解釋自然現象的人。

隨着愛奧尼亞影響的擴散，其他人繼起，看到宇宙具有一個內部秩序，這秩序可能通過觀測和理性得到理解。阿那克西曼德（約前610～約前546年），這位泰勒斯的朋友或許學生，論證道，由於人的嬰兒誕生時處於無助狀態，如果第一個人作為嬰兒不知怎麼在地球上出現，他就存活不了。阿那克西曼德推理道，因此人應是從其幼年更能吃苦耐勞的其他動物進化而來。這也許是關於人類進化的第一個暗示。恩培多克勒（約前490～約前430年）在西西里觀察到使用名叫漏壺的工具。它有時被當做長柄勺使用，就是一個球體，頂部有頸，開口；底部有一些小孔。把它浸入水中，灌滿水，封上瓶頸，可以將漏壺從水中提出而不讓水從小孔流下。恩培多克勒注意到，如果你在將漏壺浸入前把頸封住，它就不能充水。他推斷一定有某種看不見的東西防止水通過小孔進入球內——他發現了我們稱為空氣的物質。

大約同時，出生於北希臘愛奧尼亞殖民地的德謨克里特（約前460～約前370年）正思考着當你把一個物體分開或切割成小塊時會發生什麼。他論證道，你應該不能將這個過程無限繼續下去。他進而假定，每件東西，包括所有的生物，都由不能被分開切割成部分的基本粒子構成。他把這些終極粒子命名為原子，起源於希臘語中的一個形容詞，意思是「不可分割的」。德謨克里特相信，每種物質現象都是原子碰撞的產物。根據他的被稱為原子論的觀點，所有原子都在空間中到處運動，除非受到干擾，否則將無限地向前運動。今天這個思想被稱作慣性定律。

我們只不過是宇宙中的普通棲居者，並非存在於它的中心而優越地成為特殊生物，這個革命性的觀念是由最後一批的愛奧尼亞科學家之一，阿里斯塔克（約前310～約前230年）首先提出的。他的計算只有一項留存下來，那就是他對在月食時仔細觀測地球落在月面上的影子的大小進行的複雜幾何分析。他從其數據中得出結論，太陽一定比地球大得多。也許由小物體應該圍繞着龐然大物公轉而非相反的思想啟示，他成為第一個作出如下論斷的人：地球不是我們行星系統的中心，相反，是它和其他行星圍繞着大得多的太陽公轉。從意識到地球只不過是另一顆行星到我們的太陽也沒有什麼特別的觀念，只有一步之遙。阿里斯塔克覺得，情況就是如此，並且相信我們在夜空看到的恆星實際上只不過是遙遠的太陽而已。

古希臘哲學的許多學派各擁有不同而且經常相互矛盾的傳統，愛奧尼亞人只不過是其中的一家。可惜的是，愛奧尼亞人的自然觀——自然可通過一般定律得到解釋並且歸結為簡單的一族原理——只在幾個世紀間發揮了強有力的影響。一個原因是愛奧尼亞理論似乎經常未給自由意志或目的，或者神干涉世界運行的觀念留下餘地。這些驚人的遺漏使許多希臘思想家極度不安，今天也仍使許多人不安。例如，哲學家伊壁鳩魯（前341～前270年）基於如下原因反對原子論：與其成為自然哲學家天命的「奴隸」，不如追隨神的神話。亞里士多德也拒絕原子的概念，因為他不能接受人是由無靈魂無生命的東西組成的思想。愛奧尼亞人關於宇宙不以人為中心的觀念是我們理解宇宙的里程碑，但是這種思想直到幾乎20世紀後的伽利略才復活，而不再被拋棄，並被普遍接受。

儘管古希臘人關於自然的猜測極富洞察力，他們的大多數思想作為現代的科學還不夠格。一個原因是希臘人還未發明科學方法，他們發展理論並不作為實踐驗證的目標。這樣，若一位學者宣布直到一個原子和第二個原子碰撞之後它才不沿着直線運動，而另一位學者則宣布直到它撞到一個獨眼巨人之後它才不沿着直線運動，就不存在客觀方法來解決爭端。另外，在人類的律條和物理的定律之間也沒有清楚的區分。例如，在公元前5世紀，阿那克西曼德寫道，萬物都從一種初等物質產生，並返回其本源，以免它們「因其惡行被罰」。而根據愛奧尼亞哲學家赫拉克利特（約前540～約前475年）的看法，太陽如此這般行為，否則的話，正義女神將會把它毀滅。幾百年之後，大約在公元前3世紀產生的希臘哲學斯多葛學派對人間律法和自然定律作了區分，但是他們將他們認為普適的人類行為規範——諸如崇尚上帝以及服從父母，包括到自然定律的範疇。另一方面，他們經常以法律的術語描述物理過程，並且相信它們是需要被實施的，儘管被要求「服從」規律的物體無生命。如果你認為使人去服從交通法規很困難，那就去想象說服小行星去沿着橢圓軌道運行吧。

這個傳統繼續影響着許多世紀後接替希臘人的思想家們。13世紀早期基督教哲學家托馬斯·阿奎那（約1225～1274年）採納這個觀點並利用它來論斷上帝的存在，他寫道：「很清楚，無生命的物體並非偶然地而是有意地到達其終點……因此，有一位智慧的造物主，他命令自然的萬物走向其終點。」甚至晚至16世紀，偉大的德國天文學家約翰斯·開普勒（1571～1630年）還相信，行星具有感覺並且有意識地遵循運動定律，它們的「頭腦」理解這些定律。

自然定律必須被有意服從的觀念反映了古人專注於為何自然如此這般行為，而非它如何行為。亞里士多德是拒絕科學必須主要以觀察為基礎的思想的那種方法的主要動議者之一。無論如何，古人進行精確測量和數學計算是困難的。我們算術中如此方便的十進位記法只能回溯至大約公元700年。正是印度人為使那個學科成為有力的工具邁出了巨大的第一步。直到15世紀才出現加減的縮寫。而在16世紀之前，等號和能計量到秒的時鐘都還未出現。

然而，亞里士多德並不認為測量和計算中的問題是發展能夠產生定量預言的物理學的障礙，毋寧說，他認為它們沒有必要進行。相反，亞里士多德根據一些滿足自己心智的原則建立起他的物理學。他隱匿不討其喜歡的事實，並且把努力集中於事情發生之因，用相對少的精力去精確地詳述所發生的。當亞里士多德的結論和觀察差別顯著不能忽視時，他的確去調整結論。可是那些調整通常只是做些特別解釋，只比把矛盾之處貼上紙條糊起來略好一點。以那種方法，不管他的理論多麼嚴重地偏離實際，他總是能改變至恰好似乎足以擺脫其衝突。例如，他的運動論指明重物以和它們重量成正比的恆速度下落。為了解釋物體在下落時很清楚地增加速率，他發明了新的原理——當物體靠近其靜止的自然地方時，它更喜悅地前進，也就是加速。今天，這個原理用來描述某些人似乎比描述無生命的物體更合適。儘管亞里士多德理論通常只有很小的預言價值，他的科學方法卻支配了西方思想界幾乎2000年之久。

「如果在長期統治期間我學會了一件事，那便是我們正在被放在火上烤。」

希臘基督教繼承者拒絕宇宙由中性的自然定律制約的觀念。他們還拒絕人類在宇宙中不占有優勢地位的觀念。儘管中世紀並沒有一個連貫的哲學體系，但基調是宇宙只是上帝的玩具小屋，而宗教是遠比自然現象更有價值的研究對象。按照教皇約翰二十一世指示，1277年巴黎主教滕皮爾居然發表了應當予以譴責的219項錯誤或異端的清單。自然遵循定律的思想是其中一項，因為那與上帝的萬能相衝突。有趣的是，數月後，教皇約翰的宮殿屋頂墜落將其砸死，這正是由於引力定律的效應。

17世紀出現了自然定律的現代概念。開普勒似乎是第一個在現代科學意義上理解這個術語的科學家，儘管正如我們說過的，他仍保留有物理對象的泛靈觀點。伽利略（1564～1642年）在其大多數著作中不用「定律」這個術語（儘管出現在那些著作的譯本之中）。然而不管他是否用了這個詞，他的確發現了大量定律，並且提出了兩個重要原則，一個是，觀測是科學的基礎；另一個是，科學的目標是研究存在於物理現象之間的定量關係。而第一位明確並嚴格地表述如我們理解的自然定律概念的是勒內·笛卡兒（1596～1650年）。

笛卡兒相信，所有物理現象都必須根據運動物體碰撞來解釋，物體由三個定律——牛頓著名的運動定律的前身——來制約。他斷言那些定律在所有地方和所有時間都有效，並且明確說明服從那些定律並不意味着這些運動物體具有精神。笛卡兒還理解我們今天稱作「初始條件」的重要性。初始條件描述的是我們試圖作出預言的任意時段之初的一個系統的狀態。在給定的一組初始條件下，自然定律確定一個系統如何在時間中演化，然而若無特定的初始條件，演化就不能被指定。例如，如果在零時刻處於正上空的鴿子釋放某物，那個落體的路徑就由牛頓定理所決定。但是在零時刻，鴿子是靜立在電線上還是以每小時20英里速度飛行，其結果將大為不同。為了應用物理定律，人們必須知道系統是如何出發，或者至少在一確定時刻的狀態。（人們還可以利用定律在時間中將系統向過去演化。）

人們既然重新相信存在自然定律，於是便試圖將那些定律和上帝的概念相調和。按照笛卡兒的觀點，上帝可隨心所欲地改變道德原則或者數學定理的對錯，但不能改變自然本身。他相信，上帝頒布自然定律，但不能選擇這些定律，因為我們所經驗的定律是僅有的可能定律，他才挑出這些。這似乎有損上帝的權威，但笛卡兒又論證說，因為定律是上帝自性的反映，所以是不能改變的，由此來躲避觸犯上帝。如果這是真的，人們也許會認為，上帝仍然具有創生種種不同世界的選擇，每一種對應一套不同的初始條件，但是笛卡兒又否認這個。他論斷道，不管在宇宙開端物質安排如何，隨着時間推移，它就會演化成和我們一樣的世界。此外，笛卡兒感到，上帝一旦讓世界啟動，他就再也不管它了。

艾薩克·牛頓（1643～1727年）採取類似的觀點（有些除外）。正是牛頓使其三大運動和引力的科學定律的現代概念被廣泛接受。這些定律解釋了地球、月亮和行星的軌道以及潮汐現象等。他創立的若干方程以及其後我們由此而推出的精巧的數學框架，今天仍被講授。無論是建築師設計大樓，還是工程師設計轎車，或是物理學家計算如何把登陸火星的火箭瞄準目標，都要使用這些東西。正如詩人亞歷山大·蒲伯說的：

自然與自然的法則隱藏在黑夜裡，

神說：「讓牛頓降生吧！」

於是，一切都是光明。

今天大多數科學家會說，自然定律是一種規則，這種規則乃基於一種觀察到的規律性，並能超越它所據以得出的直接情景而提供預言。例如，我們也許注意到，在我們生命的每天早晨，太陽都從東方升起，並提出「太陽總是從東方升起」的定律。這是一個概括，它超出我們對太陽升起的有限觀測，並做出將來的可檢測的預言。可是，像「這個辦公室中的電腦是黑色的」這樣的陳述，就不是一條自然定律，因為它只與辦公室內的電腦有關，也並未做出諸如「如果我的辦公室買一台新電腦，它必然是黑的」這種預言。

我們現在對術語「自然定律」的理解是哲學家長期爭論的議題，它是一個比人們初想起來更微妙的問題。例如，哲學家約翰·W·卡羅爾把「所有金球的直徑小於1英里」的陳述和諸如「所有鈾235球直徑小於1英里」的陳述進行比較。從我們對世界的觀察得知，沒有金球可比1英里更大，並且我們相當自信永不可能。儘管如此，我們沒理由相信，不可能有這樣的金球，所以該陳述不算是一條定律。另一方面，因為根據我們有關核物理的知識，一旦鈾235球長到大約超過直徑6英寸（1英寸=2.54厘米），它就會在一次核爆中自毀。因此我們確定，這樣的球不存在。（嘗試去製造一個也不是個好主意！）所以，「所有鈾235球的直徑小於1英里」的陳述可被認為是一條自然定律。這種區分關係重大，因為這闡明了並非所有觀察到的概括都可被認為是自然定律，而且大多數自然定律作為更大的相互連結的定律體系的部分而存在。

自然定律在現代科學中通常用數學來表述。它們既可以是精確的，也可以是近似的，但它們必須毫無例外地被遵守——如果不是普適的話，至少在約定的一組條件下必須如此。例如，我們現在知道，如果物體以接近光速的速度運動，牛頓定律必須被修正。然而我們仍然認為牛頓定律是定律，因為對於日常世界的條件，即我們遭遇到的速度遠低於光速時，至少在非常好的近似下它們是成立的。

如果自然由定律制約，就產生3個問題：

1.定律的起源是什麼？

2.定律存在任何例外即奇蹟嗎？

3.是否可能只存在一族定律？

科學家、哲學家和神學家以不同的方式討論這些重要問題，對第一個問題，傳統答案——也就是開普勒、伽利略、笛卡兒和牛頓的答案是——定律是上帝的傑作。然而，這只不過是將上帝定義為自然定律的化身。除非人們將其他某些屬性賦予上帝，比如，上帝就是舊約中的上帝，利用上帝來回應第一個問題，只不過是用一個神秘來取代另一個神秘而已。這樣，如果我們在回答第一個問題時涉及上帝，真正的要害將隨着第二個問題而來：是否存在奇蹟，也就是對於定律有例外嗎？

關於第二個問題的答案，意見明顯分歧。柏拉圖和亞里士多德，這兩位古希臘最有影響力的著作家認為，對於定律不存在例外。但如果人們採納聖經的觀點，那麼上帝不僅創造定律，而且可應禱告者的祈求而製造例外——使致死的病症逆轉，提前結束乾旱，或者重新把棒球遊戲恢復為奧林匹克項目。和笛卡兒觀點截然相反，幾乎所有的基督教思想家都堅持上帝一定能夠暫時中止定律以完成奇蹟。甚至牛頓也相信某類奇蹟。因為一個行星對另一個行星的吸引會引起軌道的擾動，這種擾動會隨時間而增大，而使行星要麼墜入太陽，要麼被甩出太陽系，所以他認為行星軌道是不穩定的。他相信上帝必須不停地重置這些軌道，或者「為天鐘上弦」以免其鬆弛。然而，皮埃爾-西蒙·拉普拉斯侯爵（1749～1827年）——通常被叫做拉普拉斯——論斷，擾動會是周期性的，也就是以重複的循環為標誌，而非積累的。太陽系因此會自我調整，因此不用神的干涉即足以解釋它為何維持至今。

拉普拉斯正是清楚地提出科學決定論的第一人：給出宇宙在一個時刻的狀態，定律的完備集合就能完全確定其未來和過去。這就摒除了神跡或者上帝主動作用的可能性。拉普拉斯表述的科學決定論就是現代科學對第二個問題的答案。事實上，它是現代科學整體的基礎，是貫穿本書的一個重要原則。如果一個科學定律，只當某種超自然的存在決定不干擾時才成立，則不成為科學定律。意識到這一點，據說拿破崙問過拉普拉斯如何把上帝嵌入這個圖像，拉普拉斯回答說：「閣下，我不需要那個假設。」

由於人在宇宙中生活並和其中的其他物體互相作用，科學決定論對人也應成立。然而，許多人在接受科學決定論制約物理過程的同時，由於他們相信我們具有自由意志，故認為人類的行為應當例外。例如，笛卡兒為了保存自由意志的觀念，斷言人的精神是與物理世界不同的東西，而不遵循物理世界的規律。以他的觀點，人由兩種成分組成，身體和靈魂。身體只不過是尋常的機器，但靈魂不服從科學定律。笛卡兒對解剖學和生理學非常感興趣，並認為叫做松果體的位於腦中心的微小器官是靈魂的主要所在。他相信，松果體是所有思想形成之處，是我們自由意志之源泉。

人擁有自由意志嗎？如果我們擁有的話，它在進化之樹的何處發展而出？藍綠藻或者細菌具有自由意志嗎？抑或它們的行為是無意識的並處在科學定律的王國？是否只有多細胞有機體，或者哺乳動物才會有自由意志？我們也許會認為黑猩猩在大口咀嚼香蕉時，或者一隻貓撕碎沙發時是運用自由意志，那麼只有959個細胞構成被稱作秀麗隱杆線蟲的簡單生物又如何呢？也許它從未想過：「那裡就是我要去吃的味道討厭的細菌。」可是它對食品也有明確的嗜好，要麼滿足於乏味的飯食，要麼按照新近的經驗去尋找更可口的東西。這是在運用自由意志嗎？

「我認為你應該在第二步這裡更明確些。」

儘管我們感到我們做什麼都自有主意，我們對生物分子基礎的理解表明，生命過程是由物理和化學定律制約的，因此也是像行星軌道那樣是被確定的。新近的神經科學實驗支持這樣的觀點：是我們肉體的大腦，依據已知的自然定律，而非存在於那些規律之外的某種作用，決定着我們的行動。例如，對進行非全麻腦外科手術的病人的研究發現，用電刺激腦部的適當區域，可以使病人產生移動手、臂或腳，或者嚅動嘴唇並且說話的意欲。如果科學定律確定了我們的行為，就很難想象自由意志如何生效，這樣我們似乎僅僅是生物機器，而自由意志只不過是幻影而已。

在承認人的行為的確由自然定律確定之際，似乎得出如下結論也很合理，即：以如此複雜的方式並具有這麼多的變量來確定結果，致使實際上不可能做出預言。為此人們會需要人體的一千億億億個分子的每一個的初始態的知識，並且去解差不多同樣數量的方程，那要花費幾十億年。對手要打你時，只怕有點來不及閃避。

因為用基礎的物理定律去預言人的行為如此不切實際，我們採用所謂的有效理論。在物理學中，有效理論是一種框架，被創造來模擬某種被觀察的現象，而不用仔細地描述所有的基本過程。例如，我們不能準確地解制約一個人體的每個原子與地球上的每個原子的引力相互作用的方程。但是對於所有實用的目的，一個人與地球間的引力只需寥寥幾個數值，諸如人的總質量等，就可以描述。類似地，我們不能解制約複雜的原子和分子行為的方程，但我們發展了一種稱為化學的有效理論，在未解釋相互作用的每個細節的情形下，它提供化學反應中原子和分子如何行為的解釋。在人的情況中，因為我們不能解確定我們行為的方程，所以我們利用人擁有自由意志的有效理論。研究我們的意志以及所引起的行為的是心理學。經濟學也是有效理論，它基於自由意志的觀念以及如下假設：人們估計可能的不同行動過程，並且選擇最佳者。那個有效理論只能適度成功地預言行為，正如我們都知道的，這是因為決定經常是非理性的，或者是基於對選擇後果的有缺陷的分析。所以世界才這麼一團糟。

第三個問題是討論既確定宇宙又確定人行為的定律是否是唯一的。如果你對第一個問題的回答是上帝創造定律，那麼這個問題就變成上帝在選擇它們上有無餘地？不管是亞里士多德還是柏拉圖，正如笛卡兒以及後來的愛因斯坦都相信的，自然的原理因出於「必然性」而存在，也就是說，因為它們是僅有的邏輯合理的規則。由於亞里士多德的自然定律的起源是邏輯的信條，他及其信徒覺得人們可以把那些定律「導出」，而不大關注自然實際上如何行為。這個原因，加上集中注意於為什麼物體遵循規則而不在乎指明這些規則是什麼，把他導向主要是定性的定律，這些定律經常是錯誤的，在任何意義上都證明沒有多大用處，即使它們許多世紀以來在科學思想中占了統治地位。只是在很久以後，例如伽利略才敢於挑戰亞里士多德的權威，並觀察自然實際上的行為，而不是去考察純粹「理性」說它應如何行為。

本書依據科學決定論的概念，它表明對第二個問題的答覆是不存在奇蹟或者自然定律的例外。我們還會回過頭來深入地研究第一個和第三個問題，即定律如何出現，它們是否為僅有的可能定律。不過，我們首先在下一章中討論自然定律所描述的究竟是什麼東西。大多數科學家會說，它們是一個外在的實在的數學反映，這個外部世界獨立於觀察者而存在。但是，當我們深思自己觀察周圍世界並形成概念的方式之際，我們會邂逅如下問題：我們真有理由相信一個客觀存在的實在嗎？

第三章　何為實在

幾年前，意大利蒙札市議會禁止寵物的主人把金魚養在彎曲的魚缸里。提案的倡議者解釋此提案的部分理由是，因為金魚向外凝視時會得到實在的歪曲景色，因此將金魚養在彎曲的缸里是殘酷的。然而，我們何以得知我們擁有真正的沒被歪曲的實在圖像？難道我們自己不也可能處於某個大魚缸之內，一個巨大的透鏡扭曲我們的美景？金魚的實在圖像固然和我們的不同，然而我們能肯定它比我們的更不真實嗎？

金魚的實在圖像和我們自己的不同，但金魚仍然可以表述制約它們觀察到的在魚缸外面物體運動的科學定律。例如，由於變形，我們觀察一個自由物體在一條直線上運動，會被金魚觀察成它是沿着一條曲線運動。儘管如此，金魚可以從它們變形的參照系中表述科學定律，這些定律總是成立，而且使它們能預言魚缸外的物體的未來運動。它們的定律會比我們參照系中的定律更為複雜，但簡單性只不過是口味而已。如果一條金魚表述了這樣的一個理論，我們就只好承認金魚看到的是實在的一個正確的圖像。

托勒密（約85～約165年）在公元150年左右提出一個描寫星體運動的模型，這是一個不同實在圖像的著名例子。托勒密的研究發表在一部十三卷的專著中，這部專著通常以阿拉伯文題目《天文學大成》而眾所周知。《天文學大成》的開宗明義就是解釋為什麼認為地球是一個球形的、靜止的、位於宇宙中心，並與星空的距離相比是小到可以忽略。雖然阿里斯塔克曾提出過日心模型，但至少自亞里士多德時代開始，大多數有教養的希臘人都持有這些信仰。亞里士多德由於神秘的原因相信，地球應該位於宇宙的中心。在托勒密模型中，地球靜止地位於中心，行星和恆星在非常複雜的軌道上圍繞着它運行，這些軌道牽涉到周轉圓，就像輪子上的輪子。

這個模型似乎是自然的，因為我們確實沒覺得腳下的地球在運動（除了地震或者激情澎湃的時刻）。後來的歐洲學術乃基於傳承下來的希臘之源，於是亞里士多德和托勒密的觀念就成為多數西方思想的基礎。天主教會採用托勒密的宇宙模型當做正式教義達14個世紀之久。直至1543年，哥白尼才在他的著作《天體運行論》中提出一個別樣的模型。雖然他已花了幾十年來研究此理論，該書在他逝世那年才得以出版。

像大約早17世紀的阿里斯塔克一樣，哥白尼描寫了一個世界，其中太陽處於靜止，而行星以圓周軌道繞着它運轉。儘管這個思想並不新，其復活卻遭到激烈的抵制。哥白尼模型被認為和聖經相牴觸，儘管聖經從未清楚地說明，但一向被解說成行星圍繞着地球運動。事實上，在撰寫聖經的時代，人們相信地球是平坦的。哥白尼模型引起關於地球是否靜止不動的狂烈辯論。這場辯論於1633年因伽利略受到異端審判而達到高峰。他的罪名是提倡哥白尼模型並認為「在一種信念被宣布並確定為與聖經衝突之後，人們竟仍然可以把它當做可能的信念予以堅持並捍衛」。他被裁決有罪，判為終身軟禁，並被迫宣布放棄原先的信仰。據說他低聲嘀咕道：「可是它仍在運動。」1992年，羅馬天主教廷終於承認譴責伽利略是錯誤的。

托勒密宇宙

按照托勒密觀點，我們生活在宇宙的中心。

那麼，托勒密系統和哥白尼系統，究竟哪個是真實的？儘管人們時常說哥白尼證明了托勒密是錯的，但那不是真的。正如在我們的正常視像跟金魚的視像相比較的情形，人們可以利用任一種圖像作為宇宙的模型一樣，對於我們天空之觀測，既可從假定地球處於靜止，也可從假定太陽處於靜止得到解釋。儘管哥白尼系統在有關我們宇宙本性的哲學辯論中作用很大，然而它的真正優勢是在太陽處於靜止的坐標系中運動方程要簡單得多。

在科幻影片《黑客帝國》（Matrix）中發生了不同類型的另類實在。影片中的人類不知不覺地生活在由智慧電腦製造的模擬實在之中，過得平安而滿意，電腦則吸吮着活人的生物電能（不管為何物）。這也許沒那麼牽強，因為許多人寧願在網絡的虛擬實在中消磨時日，像在網站「第二人生」中那樣。我們何以得知，我們不僅僅是一部電腦製作的肥皂劇中的角色呢？如果我們生活在合成的虛擬世界中，事件就不必具有任何邏輯或一致性或服從任何定律。進行操控的外星人也許在看到我們反應時會覺得更有趣更開心，例如，如果滿月分開兩半，或者在這世界上每個節食的人顯示對香蕉奶油餅的毫不節制的渴望。但是如果外星人實施一致的定律，我們就無法得知在這模擬的實在背後是否還有另一個實在。將外星人生活的世界稱作「真的」，而把合成世界當做「假的」是很容易的事情。但是如果——正如我們這樣——在模擬世界中的生物不能從外面注視到他們的宇宙之中，他們就沒有理由懷疑他們自己的實在圖像。這是我們都是他人夢中幻影這一觀念的現代版本。

從這些例子中，我們可得到對於本書非常重要的結論：不存在與圖像或理論無關的實在概念。相反地，我們將要採用稱為依賴模型的實在論觀點：一個物理理論和世界圖像是一個模型（通常具有數學性質）和一組將這個模型的元素與觀測相連接的規則的思想。這提供了一個用以解釋現代科學的框架。

自柏拉圖以來，哲學家們長期爭議實在的性質。經典科學是基於這樣的信念：存在一個真實的外部世界，其性質是確定的，並與感知它們的觀察者無關。根據經典科學，某些物體存在並擁有諸如速率和質量等物理性質，它們具有明確定義的值。在這種觀點裡，我們的理論是試圖去描述那些物體及其性質，並且將我們的測量和感覺與之對應。無論是觀察者還是觀察對象，都是具有客觀存在的世界的部分，它們之間的任何區別都是無意義的。換言之，如果你看到一群斑馬在停車場爭奪一塊地方，那是因為真的有一群斑馬在停車場爭奪那個地方。所有其他正在看的觀察者都會測量到同樣的性質，而且不管是否有人在看這群斑馬，它們都具有那些性質。在哲學中，這一信念稱為實在論。

雖然實在論也許是誘人的觀點，然而正如我們將在下面看到的，我們有關現代物理學的知識使得要為它辯護變得非常困難。例如，根據精確描述自然的量子物理原理，除非並且直到一個粒子的位置或速度被一位觀察者測量，這個粒子既不擁有確定的位置，也不擁有確定的速度。因此，說測量之所以給出一定的結果是因為被測量的量在測量的時刻具有那個值，那說法是不正確的。事實上，在某種情形下，單獨的物體甚至並沒有獨立的存在，而僅作為一個眾多的系綜的部分而存在。而且，如果一種稱為全息原理的理論被證明是正確的，那麼我們以及我們的四維世界可能是一個更大的五維時空在邊界上的影子。在那種情形下，我們在宇宙中的地位即類似於金魚的狀況。

「你們兩位有某種共同的東西。戴維斯博士發現了沒有看到過的粒子，而希格伯發現了沒有看到過的星系。」

徹底的實在論者經常爭辯道，科學理論描繪實在的證明在於它們的成功。但不同理論可以通過全異的概念框架成功地描述同樣的現象。事實上，許多已被證明成功的理論後來被其他基於全新的實在性概念之上的同樣成功的理論所取代。

傳統上，那些不接受實在論的人被稱為反實在論者。反實在論者相信，經驗知識和理論知識彼此不同。他們一向爭論道，觀察和實驗是有意義的，而理論只不過是有用的工具，並不體現任何涉及被觀察現象的基礎的更深刻真理。一些反實在論者甚至要將科學限制於可被觀察的東西。因為這個原因，19世紀時的許多人基於我們永遠看不見原子而拒絕原子的概念。喬治·貝克萊（1685～1753年）甚至如此極端，他斷言除了精神及其思想，沒有任何東西是存在的。當英國作家兼辭典編纂家塞繆爾·約翰生博士的一位朋友對他說起不可能反駁貝克萊的論調時，據說約翰生的反應是走近一塊大石頭，踢它一腳並宣布：「我如此反駁他。」當然，約翰生感覺的腳痛也還是他頭腦中的一個思想，所以他還未真正駁斥貝克萊的觀念。但這一行為確實解釋了哲學家大衛·休謨（1711～1776年）的觀點，後者寫道，儘管我們沒有合理的理由相信一個客觀的實在，我們也別無選擇，只好權當它真是那樣的。

依賴模型的實在論使實在論和反實在論的思想流派之間所有這類爭議和討論變得毫無意義。按照依賴模型的實在論，去問一個模型是否真實是無意義的，只有是否與觀測相符才有意義。如果存在兩個都和觀測相符的模型，正如金魚的圖像和我們的圖像，那麼人們不能講這一個比另一個更真實。在所考慮的情形下，哪個更方便就用哪個。例如，如果一個人處於金魚缸內，那麼金魚圖像會是有用的。但若是身處魚缸之外，倒用地球魚缸的參考框架去描述遠在星河之外的事件，就會非常笨拙，尤其是因為地球圍繞太陽公轉並圍繞着自己的軸自轉，而魚缸在隨着地球運動。

我們固然在科學中製造模型，然而我們在日常生活中也製造模型。依賴模型的實在論不僅適用於科學模型，還適用於我們所有人為了解釋並理解日常世界而創造的有意識和下意識的心理模型。沒辦法將觀察者——我們——從我們對世界的認識中排除，認識是通過感覺過程以及通過思維和推理方式產生的。我們的認識——因而我們的理論以之為基礎的觀測——不是直接的，而是由一種類似透鏡之物——我們人腦的解釋結構塑造的。

依賴模型的實在論符合我們感覺對象的方式。在視覺中，人的大腦從視覺神經接受一系列信號。那些信號並不構成你會從電視接受的那類圖像。在視覺神經連接視網膜之處有一盲點，還有你的視場具有高分辨率的部分僅處於視網膜中心周圍大約1度的狹窄視角，這個範圍的角度和你伸出手臂時大拇指的寬度一樣。而如此送入你大腦的未加工的數據就像是有個洞一樣古怪的圖像。幸運的是，人腦處理那個數據，將兩隻眼睛的輸入結合在一起，假定鄰近位置的視覺性質類似，再填滿縫隙並應用插入技術。此外，大腦從視網膜讀到二維的數據排列並由它創生三維空間的印象。換言之，大腦建立心理圖像或模型。

陰極射線

我們看不見單獨的電子，然而我們能看到它們產生的效應。

在建立模型方面，大腦是如此稱職，如果人們配上一種上下顛倒其眼中之像的眼鏡，他們的大腦在一段時間後就會改變模型，使之重新看到處於正確方向的東西。如果之後摘下眼鏡，在一段時間內，他們看到的世界是上下顛倒的，然後會再次適應。這表明，當一個人說「我看到一把椅子」時，他的意思僅僅是他利用椅子散射來的光建立一個椅子的心理圖像或模型。如果模型上下顛倒，在他坐到椅子上去之前，幸運的是，他的腦子會改正那個模型。

依賴模型的實在論解決或至少避免的另一個問題是存在的意義。如果我走出房間而看不見桌子，我何以得知那桌子仍然存在呢？那麼說我們看不見的東西，諸如電子或據說是構成質子和中子的叫做夸克的粒子存在是什麼意思呢？人們當然可以擁有一個模型，在該模型中，當我離開時桌子消失了，而當我返回時，桌子又在同一位置出現了。然而那會是笨拙的。而如果我在外面時發生了某些事情，比如講天花板落下怎麼辦呢？在我離開房間時桌子消失的模型下，我能夠解釋下次我進入時在天花板碎片之下損毀的桌子重現的事實嗎？還是桌子留在原地不動的模型簡單得多，並與觀測相符。人們能問的，也就是如此了。

在我們看不見的亞原子粒子的情形下，電子是一個有用的模型，它能解釋像在一個雲霧室中的軌跡和電視顯像管上的光點這類觀測結果，以及許多其他現象。據說，1897年英國物理學家J.J.湯姆孫在劍橋大學的卡文迪許實驗室發現了電子。他是利用在真空玻璃管中的電流來做稱為陰極射線現象的實驗。從實驗中，他獲得一個大膽的結論：神秘的射線由微小的「微粒」構成，這種微粒是原子的構成物質，那時原子還被認為是物質的不可分的基元。湯姆孫沒有看到「電子」，他的實驗也沒有直接或清晰地證明他的預測。但無論應用於基礎科學還是應用到實際工程中，都證明這個模型是關鍵的，而現在所有的物理學家都確信電子存在，即便看不到它。

夸克

儘管單獨夸克不能被觀測到，但是夸克的概念是我們基本物理理論的一個不可或缺的要素。

我們也看不見夸克，它是解釋原子核中的質子和中子性質的一個模型。雖然說夸克構成質子和中子，因夸克之間的束縛力隨着分離而增大，因此孤立的自由夸克不可能在自然中存在，所以我們永遠觀察不到夸克。相反地，它們永遠以3個一組（質子和中子）或者以夸克反夸克對（π介子）存在，而它們就像被橡皮帶連接在一起似的。

在夸克模型首次提出之後的年月里，人們一直在爭議一個問題：如果你永遠不能分離出一個夸克，說夸克真的存在是否有意義。一些亞亞核粒子的不同結合構成了某些粒子的思想提供了一種編組原理，由此對其性質給予簡單而吸引人的解釋。但是，儘管物理學家已習慣於接受那些粒子，它們的存在僅由有關其他粒子散射數據中統計的嗶嗶聲推斷而來。但是，對許多物理學家而言，將實在性賦予一個在原則上也許不能被觀測到的粒子，這個思想是太過分了。然而，這麼多年來，隨着夸克模型導出愈加正確的預言，反對的聲音也隨之消退。某種擁有17隻手臂、紅外眼以及習慣從耳朵吹出濃縮奶油的外星生物會進行與我們相同的實驗觀察，但不用夸克描述之，這是完全可能的。儘管如此，根據依賴模型的實在論，夸克乃存在於一個和我們對亞核子粒子如何行為的觀察相一致的模型中。

依賴模型的實在論能夠為討論諸如下述之類的問題提供框架：如果世界是在有限的過去創生的，那麼在那之前發生了什麼？一位早期的基督教哲學家聖·奧古斯丁（354～430年）說，其答案不是上帝正為問此類問題的人們準備地獄，而是時間乃是上帝創造的世界的一個性質，時間在創生之前不存在，他還相信創生發生於過去不那麼久的時刻。這是一個可能的模型。儘管在世界上存在化石和其他證據使之顯得古老得多，（它們被放在那裡是用來愚弄我們的嗎？）那些堅持創世記中的敘述確實為真的人很喜歡這個模型。不過，人們還能擁有一個不同的模型，在這模型中時間回溯137億年到達大爆炸。那個模型解釋了包括歷史和地學的證據在內的大部分現代觀測，它就是我們擁有的對過去的最好描繪。第二種模型能解釋化石和放射性記錄，以及我們接受來自距離我們幾百萬光年的星系的光這一事實。因此，這個模型——大爆炸理論——比第一個更有用。儘管如此，沒有一個模型可以說比另一個更真實。

有些人支持時間能回到甚至比大爆炸還早的模型。目前還不清楚其中時間回溯到比大爆炸還早的模型是否能更好地解釋現代的觀測，因為宇宙演化的定律似乎在大爆炸處崩潰。如果是這樣，那麼去創造一個包含早於大爆炸的時間的模型就沒有意義，因為那時存在的東西對於現在沒有可觀測的後果，如此我們不妨堅持大爆炸即是世界的創生這一觀念。

一個模型是個好模型，如果：

1.它是優雅的，

2.它包含很少任意或者可調整的元素，

3.它和全部已有的觀測一致並能解釋之，

4.它對將來的觀測做詳細的預言，如果這些預言不成立，觀測就能證偽這個模型。

例如，在亞里士多德的理論中，世界由土、氣、火和水4種元素構成，而且物體是為了滿足自己的目的而行為。這個理論是優雅的，並不包含可調節的元素。但在許多情形下，它並未做出確定的預言，而當它預言時，又並不總與觀測相一致。這些預言中的一個是，因為物體的目的是下落，因此較重的物體應下落得較快。在伽利略之前似乎沒人想到過去驗證這個預言。傳說他從比薩斜塔上釋放重物來檢驗它。這故事可能是偽造的，但我們知道，他確曾把不同的重物從一斜面上滾下，並且觀察到它們都以同樣速率獲得速度，這與亞里士多德的預言相矛盾。

上面的標準顯然是主觀的。例如，優雅就不是容易測量的某種東西，但科學家們非常重視它，因為自然定律就是意味着把許多特殊情況經濟地壓縮成一個簡單公式。優雅是指理論的形式，但它與可調整元素的闕如緊密相關，因為，一個充滿了修修補補因素的理論不很優雅。套用愛因斯坦的話說，一個理論應該儘可能簡單，但不能更簡單了。托勒密把周轉圓加到周轉圓上，或者甚至在其上再加周轉圓。雖然增加的複雜性可使模型更精確，可科學家不滿意一個被扭曲去迎合特有的一組觀測的模型；他們傾向於把它看成數據表，而非一個可能體現任何有用原理的理論。

在第五章中，我們將要看到，許多人認為描寫基本粒子相互作用的「標準模型」不算優雅。那個模型比托勒密的周轉圓成功得多。它在幾個新粒子被觀測到之前就預言其存在了，並於幾十年間以巨大的精確性描述了極多實驗的結果。但它包含了幾十個可調節的參數，其數值必須為了配合觀測而確定，而不是由理論本身所確定的。

關於第四點，當新的令人震驚的預言被證明正確時，總是給科學家留下深刻印象。另一方面，當一個模型發現做不到這一點時，一種普遍反應是說實驗錯了。如果證明不是那種情形，人們經常仍然不拋棄這個模型，而試圖通過修正來挽救它。儘管物理學家執著地努力拯救他們所讚美的理論，但隨着改動變得做作而且繁瑣，理論因此而變得「不優雅」時，人們修正理論的熱情也就消退了。

如果容納新的觀測所需的修正過分雕琢，這就標誌着需要新模型了。穩態宇宙的觀念是老模型迫於新觀測而撤退的一個例子。1920年代，多數科學家相信宇宙是靜止的，或者在尺度上不變。後來埃德溫·哈勃於1929年發表了他的觀測，顯示宇宙正在膨脹。哈勃觀察到由星系發射出的光，但並未直接觀察到宇宙在膨脹。那些光攜帶特徵記號，或曰基於每個星系成分的光譜。如果星系相對於我們運動，光譜就會發生一定量的改變。因此，哈勃由分析遠處星系的光譜便能夠確定它們的速度。他原先預料會發現離開我們運動的星係數目與趨近我們運動的星系一樣多。相反地，他發現幾乎所有的星系都在作離開我們的運動，而且處在越遠的地方，它們就運動得越快。哈勃得出結論，宇宙正在膨脹。但其他人堅持早先的模型，試圖在穩態宇宙的框架中解釋他的觀測。例如，加州理工學院的物理學家弗里茨·茲威基提出，也許由於某些還未知的原因，當光線穿越巨大距離時慢慢地損失能量。茲威基提出了一個能量損失對應於一種光譜的改變，它能夠模擬哈勃的觀測。在哈勃之後的幾十年間，許多科學家繼續堅持穩態理論，但最自然的模型還是哈勃的膨脹宇宙模型，而今它已經被接受了。

折射

牛頓的光模型能解釋為什麼光從一種介質進入另一種介質時彎折，但它卻不能解釋我們現在稱為牛頓環的另一種現象。

在探尋制約宇宙的定律之際，我們表述了許多理論或模型，諸如四元素理論、托勒密模型、熱素理論和大爆炸模型等。我們的實在概念和宇宙基本成分的概念伴隨着每個理論或模型而改變。比如，想想光的理論。牛頓認為光是由小粒子或微粒構成。這就解釋了為什麼光會沿直線行進，而且牛頓利用它來解釋當光從一個媒質進入另一個媒質，比如從空氣進入玻璃或者從空氣進入水時，它為什麼彎折或折射。

然而，微粒論不能解釋牛頓自己觀察到的稱作牛頓環的現象。把一個透鏡置於一面平坦的反射板上，並用單色光諸如鈉光對其照射。從上往下看，人們將看到一系列明暗相間的圓環，它們以透鏡和表面接觸點為圓心。用光的粒子論來解釋這個現象很困難，但在波動論中就能得到解釋。根據光的波動論，那被稱作干涉的現象導致亮環和暗環。一個波，比如水波，是由一系列波峰和波谷組成的。當波碰撞時，如果那些波峰和波谷剛好分別一致，它們就互相加強，獲得更大的波。這稱為相長干涉。在這種情形下，波被稱為處於「同相」。在另一種極端，當波相遇時，一個波的波峰可能剛好與另一個波的波谷重合。在那種情形下，波相互對消，被稱為處於「反相」。這種情形稱為相消干涉。