Explorez tous les épisodes du podcast 科学巨著《大设计》（霍金）

m 理论是爱因斯坦所希望找到的统一理论。我们人类已经能够这么接近理解制约我们和我们宇宙的定律，这一事实就是一项伟大的胜利。但也许真正的奇迹在于，逻辑的抽象思考导致一个唯一的理论，它预言和描述了我们所看到的充满令人惊异的千姿百态的浩淼宇宙。如果该理论被观测所证实，它就将是⻓达三千年以上智力探索的成功终结。我们就将找到大设计。 

自从牛顿，特别是爱因斯坦以来，物理学的目标已是去发现开普勒摹想的那种简单的数学原则，并利用它创造一个万物的统一理论，该理论会解释我们在自然中观察的物质和力的所有细节。在十九世纪末和二十世纪初⻨克斯⻙和爱因斯坦统一了电磁和光的 理论。1970 年代标准模型被创造出来，这是一个强和弱核力以及电磁力的单独理论。后来弦理论和 m 理论出现，试图去包括余下的力，即引力。其目标不仅是找到能解释所有力的单独理论，而且能解释我们一直谈论的诸如力的强度和基本粒子的质量和荷的基本的数。正如爱因斯坦所说，希望在于能够说“自然是这样构成的，可能逻辑地设计这么彻底地确定的定律，以至于在这些定律之中只有合理地完全被确定的常数存在。” 

具有氢、氦和一点锂的太初宇宙如何演化成一个庇护至少一个拥有象我们这样的智慧生命的世界的故事可写成⻓篇巨作。重元素尤其是碳在恒星里形成，这样力首先必须允许恒星和星系形成。早期宇宙除了令人感恩地包含大约十万分之一的密度变化几乎是完全均匀的。恒星有些会最终爆炸，此外还要精准地以一种能把重元素分配到太空去的方式爆炸，那些残余能凝聚成新一代恒星，而合并新形成的重元素的行星环绕着这些恒星。这类发展是由自然基本的力的平衡所制约，正是那些交互作用的力必须恰好使我们得以存在。 

如果人们从底向上建立宇宙的历史，就没有理由让宇宙应终止于对应于我们实际观测到的粒子相互作用，即 (基本粒子相互作用) 标准模型的内空间。但在从顶到底的方法中，我们接受具有所有可能内空间的宇宙存在。在一些宇宙中电子具有高尔夫球的重量，以及引力比磁力更强。标准模型以及其所有参数适用于我们的宇宙。人们可以计算在无边界条件上导致标准模型的内空间的概率幅度。 

“大爆炸”术语是 1949 年剑桥天体物理学家弗雷德霍伊尔创造的。他深信宇宙无限膨胀，故意利用这个术语嘲弄。1965 年支持这个观点的最早直接观测才出现，人们发现在整个太空存在着暗淡的微波背景。这个辐射是两位⻉尔实验室的科学家在努力消除从他们微波天线来的这种干扰时偶然发现的，是大爆炸后很短的时间存在过的非常热非常紧密致的早期宇宙遗留下来的辐射。随着宇宙膨胀，它冷却下来直至辐射变成仅仅是我们现在观察到的暗淡的残余。 

M理论的定律允许拥有不同表观定律的不同宇宙，依内空间如何卷缩而定。M理论具有允许不同内空间，也许多达 10 的 500 次方的解，这意味它允许 10 的 500 次方的不同宇宙，各自具有自己的定律。为了得到那有多少的印象，这么考虑:如果某种生物只在一毫秒就能分析为那些宇宙中的每一个预言的定律，并且从大爆炸就开始进行，至今那个生物才研究了其中的 10 的 20 次方个。而且那是连在喝咖啡的时间都不休息。

QED中重正化的成功鼓励了寻找描述其它三种自然力的量子场论的企图。然而，将自然力分成四种也许是人为的，而且是我们缺乏理解造成的。因此人们寻找一种万物理论，它能够将四类力统一到一种和量子论和谐的单独的定律中。这将是物理学的圣杯。

今天描述电磁场的方程被称作⻨克斯⻙方程。很少有人听到过它们，但它们也许是我们知道的在商业上最重要的方程。它们不仅制约从家电到电脑的一切运行，还描述除了光之外的波，诸如微波，射电波，红外光，和 x 射线。所有这些和可⻅光只在一个方面有差别⸺它们的波⻓。射电波的⻓波为一米或更⻓，而可⻅光波⻓为千万分之几米，而 x 射线的波⻓比亿分之一米还短。我们的太阳在所有波⻓上辐射，但是其辐射强度在我们可⻅的波⻓上最大。我们用肉眼能看到的波⻓是太阳最强烈辐射的那些，这也许不是碰巧:很可能是，正是因为这恰好是肉眼获得最大的辐射范围，所以我们的肉眼演化成具有检测该辐射范围的能力。

量子物理似乎会削弱自然受定律制约的观念，但事实并非如此。它反而引导我们去接受决定论的新形式:给定系统在某一瞬间的态，自然定律确定各种将来和过去的概率，而非肯定地确定将来和过去。尽管这不符合某些人的口味，科学家必须接受和实验相符的理论，而非他们自己的先入为主的观念。

在科学中有许多情形，大群体以与它单独成分的行为不同的方式行为。一个单独神经元的反应几乎毫无人脑反应的预兆，有关水分子的知识也未告诉你多少湖的行为。在量子物理中的情形，物理学家仍在努力捉摸从量子领域如何涌现牛顿定律的细节。我们所知道的是，所有物体的部分服从量子物理定律，而牛顿定律以很好的近似描述由那些量子成分构成的宏观物体的行为方式。

一个模型是个好模型，如果

1.它是优雅的。
2.它包含很少任意或者可调整的元素。
3.它和全部已有的观测一致并能解释。

 4.它对将来的观测做详细的预言，如果这些预言不成立，观测就能证伪这个模型。

我们可得到非常重要的结论:不存在与图象或理论无关的实在性概念。相反地，我们将要采用将其称为依赖模型的现实主义观点:一个物理理论和世界图像是一个模型 (通常具有数学性质) 以及一组将这个模型的元素和观测连接的规则的思想。这提供了一个用以解释现代科学的框架。

自然定律在现代科学中通常用数学来表述。它们既可以是精确的，也可以是近似的，但是它们必须毫无例外地被观察⸺如果不是普适的话，至少在约定的一族条件下必须如此。

 如果自然由定律制约，就产生了三个问题:

1.定律的起源是什么? 

 2.定律存在任何例外，即奇迹吗? 

 3.是否可能只存在一族定律?

亚里士多德不把测量和计算中的问题认为是发展能够产生定量预言的物理的阻碍，他反而基于在智慧上投其所好的原则上建立起他的物理学。当亚里士多德的结论和观察的极显著差别不能被忽视时，他的确去调整结论。可是那些调整通常只是特别解释，不管他的理论多少严重地偏离实际，他总是能改变之恰好似乎足以摆脱其冲突。为了解释物体在下落时很清楚地增加速率，他发明了新的原理⸺当物体靠近其静止的自然地方时，它更喜悦地前进，也就是加速。尽管亚里士多德理论通常只有很小预言价值，他的科学方法支配了⻄方思想界几乎两千年之久。

由于人类看不到自然中原因和结果的联结，神就显得不可思议，而人们被玩弄于其股掌之上。但是随着大约 2600 年前泰勒斯 (约公元前 624 年至公元前 546 年) 的出现，事情开始改观。自然遵循着一致的可被解释的原则的思想就产生了。这就启始了利用宇宙概念来取代神权统治的⻓期过程，而宇宙是由自然定律制约的，并按照我们将来总有一天能读懂的蓝图创生的。

人类是好奇的族类。我们惊讶，我们寻求答案。生活在这一广阔的、时而亲切时而残酷的世界中，人们仰望浩渺的星空，不断地提出一长串问题：我们怎么能理解我们处于其中的世界呢？宇宙如何运行？什么是实在的本性？所有这一切从何而来？宇宙需要一个造物主吗？

我们中的多数人在大部分时间里不为这些问题烦恼，但是我们几乎每个人有时都会为这些问题所困扰。

按照传统，这是些哲学要回答的问题，但哲学死了。哲学跟不上科学，特别是物理学现代发展的步伐。