2010年6月20日，加拿大滑鐵盧，霍金造訪圓周理論物理研究所(Perimeter Institute)，發表了關於生命和時光研究的演講。

　　"如果存在兩個都和觀測相符的模型，正如金魚(眼中)的圖像和我們(眼中)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。"

　　從金魚的視角看

　　幾年前，義大利蒙札市議會禁止寵物的主人把金魚養在彎曲的魚缸裡。提案的負責人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，將金魚養在彎曲的缸裡是殘酷的。

　　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？金魚的實在的圖像和我們的不同，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，我們觀察到的在一根直線運動的一個自由物體會被金魚觀察成是沿著一根曲線運動。儘管如此，金魚可以從它們變形的參考系中表述科學定律，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考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的風景是實在的一個正確的圖像。

　　哥白尼對，托勒密錯？

　　托勒密(約公元85年-約公元165年)在公元150年左右提出一個描寫星體運動的模型，這是一個實在的不同圖像的著名例子。托勒密的研究發表在一部十三冊的論文中，這部論文通常以阿拉伯文題目《天文學大成》而眾所周知。《天文學大成》從解釋為何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開始。雖然阿利斯塔克提出日心模型，但至少自亞里士多德時代開始，大多數希臘有教養的人都持有這些信仰，亞里士多德由於神秘的原因相信地球應該是位於宇宙的中心。

　　天主教會採用托勒密的宇宙模型當作正式教義達十四世紀之久。直至1543年，哥白尼才在他的著作《天旋論》中提出一個另外的模型。雖然他已花了幾十年來研究此理論，該書在他逝世那年才出版。正如大約早十七世紀的阿利斯塔克，哥白尼描寫其中太陽處於靜止，而行星以圓周軌道圍繞著它運轉的一個世界。儘管這個思想並不新，其復活卻遭到激烈的抵制。哥白尼模型引起關於地球是否靜止不動的狂烈辯論。這個辯論於1633年因伽利略受到異端審判而達到高峰。

　　那麼，托勒密系統或哥白尼系統，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。正如在我們的正常觀點和金魚的觀點相比較的情形下，人們可以利用任一種圖像作為宇宙的模型，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的作用，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。

　　他人夢中的想像物

　　在科幻影片《黑客帝國》(Matrix)中發生了不同類型的另外實在。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，當電腦將他們的生物電能(不管為何物)吸吮時，使他們保持平靜而滿意。這也許沒那麼牽強，因為許多人寧願在網路的虛擬實在中消磨時日，例如「第二人生」。

　　我們何以得知，我們不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虛世界中，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」，而把合成世界當作「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的想像物的觀念的現代版本。

　　從這些例子，我們可得到對本書非常重要的結論：不存在與圖像或理論無關的實在性概念。相反地，我們將要採用將其稱為依賴模型的現實主義觀點：一個物理理論和世界圖像是一個模型(通常具有數學性質)以及一組將這個模型的元素和觀測連接的規則的思想。這提供了一個用以解釋現代科學的框架。

　　現實主義的信仰

　　從柏拉圖以來的哲學家長期以來爭議實在的性質。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世界的部分，它們之間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，這一信仰稱為現實主義。

　　雖然現實主義也許是誘人的觀點，正如我們將在下面看到的，我們有關現代物理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，這個粒子既不擁有明確的位置也不擁有明確的速度。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，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，我們在宇宙中的狀況類似於金魚的狀況。

　　徹底的現實主義者經常論證道，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等成功的理論所取代。

　　反現實主義者

　　在傳統上，那些不接受現實主義的人被稱為反現實主義者。反現實主義者相信經驗知識和理論知識相互不同。他們一向論爭道，觀察和實驗是有意義的，但是理論只不過是有用的工具，並不體現任何作為被觀察現象的基礎的更深刻真理。

　　一些反現實主義者甚至要將科學限制於可被觀察的東西。因為這個原因，十九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)甚至走至如此地步，他斷言除了精神及其思想，沒有任何東西存在。當英國作家兼辭典編撰人薩繆爾·約翰遜博士的一位朋友對他說，不可能反駁貝克萊的聲明時，據說約翰遜的反應是，走近一塊大石頭，踢它並宣佈，「我如此反駁他。」當然約翰遜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。但其行為確實解釋了哲學家大衛·休謨(1711-1776)的觀點。後者寫道，儘管我們沒有合理的理由信仰一個客觀的實在，我們也別無選擇，只好裝作彷彿它真是那樣的。

　　依賴模型的現實主義使現實主義和反現實主義的思想學派之間所有這類爭議變得毫無意義。按照依賴模型的現實主義，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，但對外界的人們而言，那麼在地球魚缸的參照系裡去描述從遠處星系來的事件就會非常笨拙，尤其是因為魚缸隨著地球圍繞太陽公轉並圍繞著自己的軸自轉而在運動。

 

 
英文版封面

　　經由人腦的塑造

　　我們在科學中製造模型，然而我們日常生活也製造模型。依賴模型的現實主義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而塑造的。

　　依賴模型的現實主義對應於我們感覺對象的方式。在視覺中，人們大腦從視覺神經接收一系列信號。那些信號並不構成你會從電視接收的那類圖像。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一度的狹窄視角，這個範圍的角度和你伸出手臂時大拇指的寬度一樣。如此送入你頭腦的未加工的數據就像有個洞的模樣古怪的圖像。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。

　　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，使之再次看到在正確方向的東西。如果之後摘下眼鏡，在一段時間內，他們看世界是上下顛倒的，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，在其坐到椅子上去之前，幸運的是，他的大腦改正了那個模型。

　　依賴模型的現實主義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夸克的粒子存在是什麼意思呢？人們可以擁有模型，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，我能夠解釋下回我進入時在天花板碎片之下損毀的桌子重現的事實嗎？桌子留在原地不動的模型簡單得多並與觀測相符。那就是人們能問的一切。

　　夸克真的存在嗎？

　　在我們看不見的次原子粒子的情形下，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，還有許多其他現象。

　　據說1897年英國物理學家J·J·湯姆遜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。從實驗裡，他獲得一個大膽的結論，神秘的射線由微小的「微粒」構成，這種微粒是原子的物質部分，那時原子被認為是物質的不可分的基元。湯姆遜沒有看到「電子」，他的實驗也沒有直接或清晰地證明他的預測。但在從基礎科學到工程的應用中這個模型證明是關鍵的，而現在所有的物理學家都確信電子存在，即便看不到它。

　　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著分離而增大，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，它們永遠以三個一組(質子和中子)或者以夸克反夸克對(π介子)存在，而且它們正像由橡皮帶連接在一起似的。

　　自夸克模型首次提出之後的年代裡，人們一直在爭議著，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的問題。一些次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，它們也只從有關其他粒子散射的數據中的統計的短促嘩嘩聲中推斷其存在。對許多科學家而言，將實在性賦予一個在原則上也許不能被觀測到的粒子是太過分了。

　　然而，這麼多年來，隨著夸克模型導出愈加正確的預言，反對的聲音也隨之消退。某種擁有十七隻手臂、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，根據依賴模型的現實主義，夸克存在於一個和我們對次核子粒子如何行為的觀察一致的模型中。

　　一個模型比另一個更真實？

　　依賴模型的現實主義能夠為討論諸如以下問題提供框架：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)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《創世紀》中的敘述確實是真的人很喜歡這個模型。

　　人們還能擁有一個不同的模型，在這模型中時間往回延續137億年到達大爆炸。該模型解釋了包括歷史和地學的證據在內的大部分我們的現代觀測，它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，以及我們接收來自距離我們幾百萬光年的星系來的光的事實。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延續回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。如果出現這種現象，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，如此我們也可以堅持大爆炸是世界的創生的觀念。

　　好模型的條件

　　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.　它對將來的這種觀測做詳細的預言，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、火和水四種元素構成，而且物體是為了滿足它們的目的而行為，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很重要。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，但我們確知，他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，但科學家們非常珍視它，因為自然定律是意味著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，但它與缺少可調整元素緊密相關，由於一個充滿了修補的因素的理論不很優雅。引述愛因斯坦的話，一個理論應該盡可能簡單，但不能更簡單了。

　　關於第四點，當新的令人震驚的預言被證明正確時，總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，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讚美的理論，隨著改動變得做作而且繁瑣，理論因此而變得「不優雅」，人們修正理論的熱情也就消退了。

　　何時需要新的模型

　　如果容納新的觀測所需的修正過分雕琢，這就標誌需要新模型。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，光譜就會改變一個已知的量。因此，哈勃由分析遠處星系的光譜能夠確定它們的速度。他原先預料會找到離開我們運動的星系數目與靠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離開我們運動，而且處在越遠的地方，它們就越快地運動。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裡茨·茲威基建議，也許因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。這種能量減小會對應於光譜的改變。茲威基提議的這種改變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，但最自然的模型是哈勃的膨脹宇宙模型，而它已被接受。