科學理論的本質

霍金的《時間簡史》暢銷全球，為科學寫作樹立了里程碑。作者熱情投入是一項原因，主題引人入勝又是另一項原因，這些主題包括探討時間與空間的本質、上帝在宇宙創生的角色，以及宇宙的歷史與未來等。不過自從《時間簡史》出版後，不斷有讀者反應，書中有些重要的概念極難掌握。

這便是《新時間簡史》的緣起由來。霍金希望讓讀者更能親近本書，同時也納入了最新的科學進展與發現。
科學理論的本質
要探討宇宙的本質，以及討論宇宙是否有開端或結束的問題，首先必須先了解科學理論的意義。我在這裡採取最簡單的觀點，將理論視為是宇宙或有限部份的模型，有一套規則將模型的量值與觀察做連結。理論只存在我們的心中，並不具備任何真實（不論「真實」之意義）。好的理論需要滿足兩項要求：以只含幾項任意要素的模型為基礎，能對一大類觀察做正確描述，並能對未來的觀察結果做明確預測。例如，亞里斯多德相信恩培多克勒斯（Empedocle）的理論，指萬物皆由水、火、土、氣四大元素構成。這個理論很簡單，但是並未做出明確的預測。相較上，牛頓的重力理論是以更簡單的模型為基礎，指物體之間會互相吸引，此作用力與其質量成正比，與兩者距離的平方呈反比。而且，該理論對於日月星辰運動的預測，達到相當高程度的精準。

任何物理理論都是暫時的，因為理論只是假設，永遠無法證明。不管有多少次的實驗結果吻合某個理論，都無法保證下次的結果不會發生牴觸。但是，只要有一次觀察與理論的預測不吻合的話，便可以推翻該理論。正如科學哲學家巴柏（Karl Popper）強調，好理論的特色在於提出一些預測，原則上可經由觀察推翻或駁斥。每次有新的實驗觀察吻合預測時，理論便保留下來，我們對理論的信心也會增強；但是只要有一項新的觀察與理論不符合時，便要放棄或修正理論。這是大致上的原則，不過我們當然還是可以質疑觀察者的能力是否有問題。

實際上，新理論的提出往往是舊理論的延伸擴張。例如，在對水星軌道進行精準的觀察下，可發現與牛頓重力理論的預測稍有不同，而愛因斯坦廣義相對論的預測又與牛頓理論稍有不同。兩相比較，愛因斯坦的預測符合對水星運動的觀測，而牛頓的理論並未完全吻合，這點正是對於新理論的重大肯定。不過，大多時候還是會使用牛頓理論，因為兩種理論對於日常生活事物的預測，差異都微小到可忽略不計（牛頓的理論運用起來更為簡便，是一大優點）。

物理科學的最終目標，在於提出一個能夠描述整個宇宙的理論。然而，事實上大多數科學家將問題分成兩部份。第一個部份是指出宇宙如何隨著時間演進變化的法則（如果知道宇宙在某時刻的狀態，這類法則可告訴我們宇宙後來在任何時刻的狀態）；第二個部份是關於宇宙初始狀態的問題。有些人覺得科學應該只涉及第一個部份，將初始態的問題歸屬於形上學或宗教的範疇，認為萬能的上帝可以任憑喜好創造宇宙。或許是這樣沒錯，但是上帝也可以讓宇宙隨便發展，然而祂似乎選擇讓宇宙按照某些法則循序發展。因此，似乎也可合理假設有支配初始態的法則存在。

結果，科學家發現要提出一個包山包海的宇宙理論極為困難，於是將問題拆解開來，發明了一些「部份理論」。每個部份理論只描述與預測某部份的觀察，忽略其它量值的效應，或僅以簡單的常數來近似。這種方法有可能全盤皆錯，如果宇宙萬事萬物本質上都環環相扣，則單獨拆解問題恐怕難以窺得全貌，無法獲得一個完整的解答。然而，過去我們的確用這種方式獲得進展，牛頓的重力理論又是經典的例子。該理論指出兩個物體之間的重力大小，只取決於物體質量的數字，與物體的組成結構毫無關係。所以，我們在計算星體的運行軌道時，並不需要恆星或行星成份結構的理論。

今日，我們用廣義相對論與量子力學兩大基本的部份理論來描述宇宙，兩者都是廿世紀上半葉人類最偉大的知識成就。廣義相對論描述重力作用以及宇宙的大尺度結構，也就是小至幾哩、大至整個可見宇宙一兆兆哩的尺度結構。另一方面，量子力學處理極小尺度的現象，如兆分之一吋的大小。可惜的是，這兩個理論有所衝突，不可能兩者都對。所以今天物理學主要努力的方向，也是本書的重心，在於尋找一個可以將兩者合併的新理論，即為量子重力理論。至今還未找到這種理論，或許未來還有漫漫長路，然而我們已經知道該理論應具備的許多特質，在後面的章節中也會談到它應具備的不少預測。

從原子到星系
在廿世紀上半葉，物理學家將理論研究範圍從牛頓所觀注的日常世界，擴張到宇宙最大與最小的兩個極端範疇。
現在，如果相信宇宙不是任意發展，而是受到明確的法則所支配，那麼我們最終都必須將部份理論合併成為一個完整的統一理論，能夠描述宇宙的萬事萬物。但是在追尋這個完整統一理論的過程中，存在一個根本的矛盾。上面談到的科學理論，背後都假定人類是理性的生物，能夠自由隨意觀察宇宙，並做出符合邏輯的推斷。在這種架構下，可以合理推測我們可望更加靠近宇宙的支配法則。但假若真的有一個完整的統一理論存在，照理也會決定我們的行為，所以理論本身將會決定我們追尋理論的結果呢！那麼，為什麼理論要決定讓我們從觀察證據中得到正確的結論呢？是不是也同樣可能讓我們得到錯誤的結論，或完全沒有結論呢？

對於這個問題，我只能根據達爾文的天擇原理給答案。所謂的天擇原理，指在能夠繁殖後代的生物中，其基因變異與後天教養都會造成個體差異。這些差異意謂有些個體能夠對周遭世界做出更正確的判斷與回應，提升存活與繁衍的機會，其行為與思考模式也將變成主流。現在可以確定的是，過去人類的聰明才智與科學進展帶來了生存優勢，但不清楚未來是否依舊如此，因為科學發現也可能毀滅人類，而縱使沒有毀滅人類，發現完整的統一理論也可能無助於提昇我們的生存機率。不過，假設宇宙果真是循序演進，那麼天擇賦與人類的理解能力，可望在追尋完整的統一理論時會發揮作用，不致於帶我們走向錯誤的結論。

不過，除了最極端的情況外，現有的部份理論已經足以做出正確的預測，因此追尋宇宙終極理論似乎缺乏實際的理由（但值得一提的是，從前大家也認為相對論和量子力學沒有實際用處，可是這些理論最終帶來了核能與微電子革命）。因此，發現完整的統一理論或許無助於提升人類生存的機率，甚至不會影響到我們的生活型態，但是自從文明出現，人們從來不滿足將世間萬物看做毫無牽連或無法解釋；相反地，人們一直渴望發現世界運作的根本之道。從古至今，我們一直熱切想知道為什麼自己在這裡，以及從何而來的問題。人類求知若渴的天性，正是繼續追尋統一理論的最佳理由，只是我們的目標不僅僅在於對這個宇宙的完整描述而已。

（本文轉載自史蒂芬．霍金新書《新時間簡史》，中文譯本由大塊文化出版）