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第二章，
第一章
三、 现实是什么
几年前意大利蒙扎（Monza）市议会禁止宠物主人用弧形的鱼缸养金鱼。议案的发起人解释说把鱼放在弧形的鱼缸里是残忍的，因为鱼注视外面时会是一个扭曲失真的现实景象。可是我们怎么知道我们就有真实的、无扭曲的现实图景？难道我们自己不也是处在一个类似大的金鱼缸里而我们的视像是被一个庞大的镜头所扭曲的吗？金鱼的现实图景跟我们的不一样，但我们能确定它更不真实吗？
虽然金鱼的景象跟我们的不同，但是对于它们所观察到的鱼缸外面的物体的运动，金鱼仍然可能构思出支配那运动的科学法则。比如，一个自由运动的物体，我们观察到的是直线运动，可由于（鱼缸的）扭曲，金鱼观察到的会是曲线运动。但不管如何，金鱼是有可能构思出它们的科学法则的，该法则在它们的扭曲了的参照系中能总是保持准确，从而让它们能预测鱼缸外面的物体的未来运动状态。它们的法则将会比我们的复杂，但简单性是跟品味相关的。如果金鱼构思出了那样的理论，我们就必须认可金鱼的景象为合理的现实图景。
对现实的不同图景，一个著名的历史案例是托勒密（Ptolemy，公元85年—165年）在大约公元150年提出的描绘天体运动的模型。托勒密将他的研究发表为十三本书的专著即通常所知的以阿拉伯语命名的《天文学大成》（Almagest）。《天文学大成》起始解释了为什么认为地球是圆形的、静止的、位于宇宙的中央、以及其尺寸在天堂的距离范围下是微不足道的小。尽管有阿里斯塔克斯的以太阳为中心的模型存在，大多数受过教育的希腊人还是持有这些(以地球为中心的)信念，至少从亚里士多德时代起，亚里士多德以神秘的理由相信地球应该位于宇宙的中央。在托勒密的模型中，地球静止地位于中央，发光或反射光的星体们都围绕着它运动，复杂的环绕包括周转圆，好像轮子中的轮子。
托勒密的宇宙：
我们生活在宇宙的中央。
这个模型看起来自然而然，因为我们并没有感觉到脚下的地球运动（除了地震或激情时刻）。后来的欧洲研究是基于传承下来的希腊知识源，因此亚里士多德和托勒密的主张成了大多数西方思想的基础。托勒密的天文模型被天主教会所采纳并当成官方教义达一千四百年。直到1543年哥白尼在《天体运行论》一书中才提出了不同的模型，他仅在他去世的当年才发表此书（尽管他研究该理论数十年）。
哥白尼，如同距其一千七百年前的阿里斯塔克斯，描述了这样一个世界，其中太阳是静止的，行星们以圆周环绕（太阳）。尽管不是新概念，它的复活还是遭遇了强烈阻力。哥白尼模型被认为抵触《圣经》，《圣经》曾被解释为断定行星围绕地球运动，尽管《圣经》从没有清晰地那样说。事实上，在《圣经》被写作的时代，人们相信地球是平坦的。哥白尼模型导致了激烈的关于地球是否静止的辩论，以1633年对伽利略的异端审判为终结，审判伽利略鼓吹哥白尼模型，以及其思想“在（一个主张）被宣布判定为抵触《圣经》后，一个人可以保留其为一种意见并为其辩护”。他被判有罪，终生软禁在家，并被迫认错。据说他小声嘀咕道“可是地球还在动。”1992年罗马天主教廷最终承认对伽利略的审判是错误的。
那么哪一个是真实的？托勒密还是哥白尼体系？尽管通常人们说哥白尼证明托勒密错了，那并不准确。如同拿我们标准的景象跟金鱼的比较，任一图象都可用来作为宇宙的模型，不管假定地球还是太阳是静止的都可以用来解释我们对天体的观察。尽管哥白尼体系在哲学关于宇宙自然的辩论中扮演重要角色，它真正的优点就只在于，在以太阳静止为参照系的框架里，其描述运动的公式简单得多。
另类不同的现实发生在科幻电影《黑客帝国》（The Matrix）里，其中人类不自觉地生活在一个仿真的虚拟现实中，实际是由智能电脑创建用来保持人类平静和满足，而让电脑吸取他们的生物电能（先甭管那是什么东西）。也许这并不遥远，因为许多人更喜欢在网络的仿真现实中打发时间，比如第二生命（Second Life）网游。我们怎么知道我们不仅仅是在一出电脑生成的肥皂剧中的角色？如果我们是生活在一个想象的合成世界里，事件就不必有任何逻辑或一致性或遵循任何法则。负责掌控的外星人可能发现观察我们如下的反应会更有趣开心，比如，如果整个月亮分成两半，或者世界上吃规定食物的每个人养成了一种难以控制的对香蕉奶油饼的渴望。可是如果外星人确实实施了一致的法则，我们就毫无办法判断在那模拟的现实背后藏着另一个现实。把外星人居住的世界叫做“真实”的而把合成的叫做“虚假”的，那在口头上很容易，但如果——像我们这样的——在模拟世界内的生命体无法从外部去审视到他们的宇宙，他们就毫无理由去怀疑他们自己的现实图景。这是那个旧想法的现代版本，即我们都是某人梦中的虚假幻觉。
从以上这些例子，我们得出一个将贯穿本书的重要结论：不存在独立于特定图景或理论的现实概念。相对的我们将采纳一个叫做“模型相关现实主义”的观点：即物理理论或世界图景是一个模型（通常是数学形式）以及一系列规则将模型的元素与观察者联系起来。这提供了一个用来解释现代科学的框架。
从普拉图以来的哲学家们经年累月地争辩现实的属性。经典科学是基于这样的信念即存在一个真实的外部世界，其属性是有限的且独立于观察者。根据经典科学，确切的物体存在，其物理属性具有明确定义的值，如速度和质量。在这样的观点下我们的理论尝试描述那些物体和它们的属性，以及我们所针对的测量和感应。观察者和观测对象同属于一个客观存在的世界，两者之间的区别并无重大意义。举个例子，如果你看见一群斑马在车棚子里打架争夺一个位子，那是因为确实有一群斑马在那里打架争夺位子。其他观察者看到这一事件会测量出同样的属性，而不管有没有人在观察，那群斑马都会有那些属性。在哲学中那样的信念叫做实在论。
尽管实在论可能是个吸引人的观点，我们在后面将看到，我们所知的现代物理让其难于自圆其说。例如，根据量子理论——其本身是对自然的精确描述——的原理，一个粒子既没有确定的位置也没有确定的速率，除非一个观察者对那些数量加以测量。因此说一次测量给出确切的结果的说法是不正确的，因为被测量到的数量只是在那测量的时刻的数值。实际上，在某些情况下单个粒子甚至无法独立存在，而只是作为某一包含许多粒子的整体的部分存在。而如果一个叫做全息原则的理论证明是正确的，我们以及我们的四维世界可能是一个更大的、五维的时空在边界上的阴影。在那样的情况下，我们在宇宙里的状态类似于那些金鱼。
严格的实在论者通常争辩说科学理论体现了现实的证据就在于其成功。但基于迥然不同的概念框架的不同的理论都可以成功地描述同一现象。事实上，许多已经被证明成功的科学理论后来又被其他同样成功的理论所取代，而后者是基于完全崭新的现实概念。传统上那些不接受实在论的人被称为反实在论者。反实在论者认为在经验知识和理论知识之间存在明显差别。他们典型的论点是，虽然观察和实验是有意义的，但是理论并不比设备更有用——那些设备并不体现任何被观察的现象下的更深的事实。某些反实在论者甚至想要限制科学只限于可以被观察的事物上。鉴于此，许多十九世纪的人拒绝了原子的观念，其根基就在于说我们永远也看不到一个原子。乔治.贝克莱（George Berkeley，1685–1753) 甚至走得如此之远，说除了大脑及思想，其他全不存在。当英国作家和词典编纂者萨穆尔.约翰逊博士（Dr. Samuel Johnson，1709–1784）的一个朋友对他谈到无法驳斥贝克莱的声明时， 据说约翰逊博士的反应是走近一块大石头，踢上一脚，然后大声说：“我如此驳斥它。” 当然约翰逊博士脚上感觉到的痛也还是他大脑的想法，因此他并没有真的驳倒贝克莱的观点。但他的行为的确展示出了哲学家大卫.休谟（David Hume，1711–1776）的观点，休谟写道，尽管我们没有理性的根基来相信存在一个客观现实，我们也没有其他选择，而只能仿佛它是真的一样去行事。
模型相关现实主义走捷径排除了所有这些实在主义者和反实在主义者之间的争辩和讨论。根据模型相关现实主义，问一个模型是否实在是没有意义的，只有模型是否吻合观测的问题才有意义。如果两个模型都与观测吻合，就像金鱼的和我们的图景，那么就不能说一个模型比另一个更真实。你可以根据情况采用任一个更方便的模型。比如，如果你是处在金鱼缸里，那金鱼的图景就会是有用的，但对那些鱼缸外面的，在鱼缸的框架下来描述遥远星系的事件将会是非常笨拙的，尤其是因为鱼缸在地球上，会随着地球绕太阳公转以及绕轴心自转而移动。
在科学研究中我们当然建立模型，而我们也在日常生活中建立模型。模型相关现实主义不仅适用于科学模型，而且也适用于我们所有人在日常生活中所建立的用于解释理解日常世界的有意识的和潜意识的思维模型。没有办法将观察者——我们本身——从我们对世界的感知中排除，这感知是建立于我们的感官处理以及我们思考和推理的方式。我们的感知并非直接的，而是透过某类透镜（即眼睛），也就是我们人类大脑的解释结构所形成的——由此而来的观察以及我们的基于观察的理论也是如此这般非直接的。
模型相关现实主义和我们感知事物的方式是相符合的。比如视觉，人的大脑接收从感光神经元传递下来的一系列信号，那些信号并不直接构成如同你能在电视中所接受的那种图像。还有就是不仅有一个盲点在感光神经元连接视网膜的地方，而且视野中唯一清晰的部分只是一块狭窄的区域，大概是以视网膜为中心的视角中的一度而已，相当于你大拇指的宽度在拳头中所占的比例。因此传递给大脑的原始信号就像一幅极其模糊的图片，中间还破了一个孔。幸好人的大脑如此处理那些信号：融合从两只眼睛传来的输入，假定相邻区域的视觉属性是相似的和相连的，从而填补上输入信号中的空白。更进一步，大脑从视网膜读出的是二维的数据，却建立起三维空间的映像。换句话说，大脑建立起映像或模型。
大脑是如此擅长建立模型，甚至当人们戴上眼镜导致图像在眼睛里颠倒了，他们的大脑也会在片刻后改变模型，从而他们再次看到正立的事物。如果那时又取下眼镜，他们会看到整个世界颠倒一会儿，然后再次适应过来。这意味着，当一个人说“我看到一把椅子”，只不过是那人通过椅子反射的光线，建立了椅子的映像或模型。幸运的是，如果模型颠倒了，大脑会在那人试图坐上去之前调顺过来。
模型相关现实主义解决的另一个问题，或者说至少避免了的，是存在的含义。我怎么知道当我走出屋子而无法看到的时候，屋子里的桌子还在那？说我们看不见的东西比如电子或夸克——所谓的构成中子和质子的粒子——存在，到底是什么意思？某人可以建立这样一个模型，在该模型中当我离开屋子的时候桌子消失，而当我回来的时候又重新出现在同样的位置，可那样将会很笨拙，试想当我不在的时候如果发生了什么事，比如天花板塌下来了？在“离开屋子时桌子消失”的模型下，我怎么样解释这样的事实，即当我下次进屋子的时候，重新出现的桌子破了而倒在天花板的碎片下？桌子保持不动的模型就相对简单得多而且与观察结果吻合。对于存在的含义我们所能要求的就是那么多。
在我们肉眼无法看见的次原子粒子的情况中，电子是一个管用的模型，可以解释许多观察现象比如云雾室里的轨迹，电视显像管上的亮点，以及许多其他现象。据说电子是英国物理学家汤普森（J. J. Thompson）在1897年在剑桥大学卡文迪许（Cavendish）实验室发现的。当时他正在做电流在真空玻璃管中的实验，一种被称为阴极射线的现象。他的实验让他得出大胆的结论，神秘的射线是由极小的本是原子的构成材料的小球合成的，而原子在当时被认为是物质的基本单位，不可分割的。汤普森并没有“看”见电子，他的推断也并没有被直接而毫不含糊的实验所演示出来。但该模型已被证明在从基础科学到工程领域的应用中都是极其关键的，而且现在所有的物理学家都相信电子，尽管无法看见。
阴极射线：我们肉眼不能看见单个电子，但我们能看见电子们所产生的效应。
夸克——也是我们肉眼所不能看到的——是解释原子核中的质子和中子的模型。尽管说质子和中子是夸克组成的，我们将永远观测不到单个夸克，是因为夸克之间的结合力随距离增加而加大，因此孤立的自由的夸克无法在自然中存在。确实，它们总是三个一组（质子和中子）或者以一对夸克和反夸克出现（π介子），表现得如同它们是橡皮圈结合在一起的。
夸克：我们的基础物理理论的至关重要的要素，尽管单个夸克无法观测到。
在夸克模型刚被提出的几年里，说夸克真的存在但却永远不能分离出一个来的说法是否有意义的问题是一个极具争议的议题。这种说某些粒子是由一些次次原子核粒子组合而成的观念导出了一种简单而吸引人的对那些粒子属性的解释。可尽管物理学家们已经习惯了接受仅是推断存在的粒子——从关于其它粒子的散射数据的统计波动而得出的推断，但对许多物理学家来说，这种赋予在理论上可能无法观测的粒子以现实性的观念还是难以接受。然而随着时间一年年推移，由于夸克模型导出越来越多的正确预测，反对的意见消失了。当然不能排除那样的可能，某些有着17支手臂、红外眼睛以及习惯从耳朵里吹出结块的奶酪的外星生命会做同样的实验观察，但不用夸克模型去描述解释。不管如何，基于模型相关现实主义，夸克存在于与我们对次原子核粒子如何运动的观察相吻合的模型中。
模型相关现实主义可以提供一个框架去讨论诸如这样的问题：如果世界是在有限的时间前产生的，在那之前又发生了什么？一位早期的基督教哲学家圣.奥古斯汀（St.
Augustine 354–430）说，答案并不是上帝在为问这样问题的人准备地狱，而是时间是上帝所创造的世界的一个属性，在创世之前时间并不存在，而他相信创世发生在不太久之前。那是一种可能的模型，被那些坚持《创世纪》字面上给出的记述是正确的人们所偏好，尽管世界上存在着化石以及其它证据使得世界看起来老得多。（那些证据是被放在那愚弄我们的吗？）；也有另一个不同的模型，在其中时间持续回溯137亿年直至大爆炸。该模型最大程度地解释了我们目前的观察，包括历史和地理的证据，是我们所有的对过去的最好的表述。这后一种模型可以解释化石和放射性记录，以及这样的事实——我们接收到从上百万光年远的星系发出的光，所以该模型——大爆炸理论——比前一种模型更有用。可仍然不能说某一模型比另一种更真实。
有些人支持另一种模型，其中时间回溯更远过大爆炸。还不清楚这样的模型是否能更好地解释目前的观察，因为看起来宇宙演化的定律可能在大爆炸点失效，如果确实失效，建立一个包含大爆炸之前时间的模型就没有任何意义，因为在那之前存在的将没有可观察的效果留存到目前，所以我们可以坚持大爆炸就是世界创始的观念。
一个好的模型须得具备以下条件：
1. 简洁
2. 几乎不包含随意性或可变动因素
3. 与所有已知观察吻合并能解释
4. 做出对未来观察的详细预测，如不能证实就可以否定该模型。
例如，亚里士多德的所谓世界由四种元素组成：土、气、火和水，还有物体按其目的运动的理论是简洁的，也不包含可变动因素。但在许多情况下，该理论没有明确的预测，而当它做出预测时却并不总是与观察吻合。其中一个预测是重的物体应该（比轻的物体）下落得快，因为它们的目的就是下落。看来没有人曾想过要去测试一下（该理论）是重要的，直到伽利略。有一个故事说伽利略测试了，将不同重物从比萨斜塔落下来。这故事很可能是杜撰的，但我们确实知道他（做了实验）将不同重物滚下斜滑道，观察到它们以相同比率加速，与亚里士多德的预测矛盾。
以上条件明显是主观的。如（第一条）“简洁”，不是可轻易度量的东西，但科学家们高度看重它，因为自然定律就是为了经济有效地将大量的具体情况精简为一条简单公式。“简洁”指理论的表形，但它与（第二条中的）“少可变动因素”紧密相关，因为一个缠夹了校正因子的理论不够简洁。转述爱因斯坦的话，理论应该尽可能简单，直至不能更简单。托勒密为了让他的模型可以精确地描述天体的运动而加入周转圆到圆形轨道上。该模型还可以通过加入周转圆到周转圆上，或甚至加入周转圆到周转圆的周转圆上，从而更精确。尽管靠加入复杂性可能让该模型更精确，科学家们认为一个要靠修正去匹配一种特别的集合的模型是不可接受的，顶多只是一连串编目好的数据而算不上是一个象征任何有用原理的理论。
我们将在第5章看到许多人认为那表述自然的基本粒子的相互作用的“标准模型”是不简洁的。那个模型比托勒密的周转圆模型成功得太多了。它在几种新粒子被观测到之前就预测到了它们的存在，而且在几十年里极其精确地表述了许多实验的输出结果。但它包含着好几十个可变动参数待确定去匹配观测，而不是由理论本身确定。
关于第四点，当新的令人震惊的预测被证实正确时，科学家们总是刮目相看。另一方面，当一个模型被发现缺失，通常的反应是说实验是错的。如果确证实验没错，人们通常仍然不会抛弃那模型，而是尝试修正去拯救。尽管物理学家们确实顽强地尝试拯救他们所欣赏的理论，可当修改变得明显人为或笨重因而“不简洁”时，修正理论的倾向就消退了。如果为了适应新的观测所需要的修改变得过于复杂精巧，那就是需要一个新模型的信号。一个旧模型在新观测的重压下被放弃的例子是静态宇宙的概念。在1920年代，大多数物理学家相信宇宙是静态的，或者说大小不变的。然后在1929年，埃德温.哈勃（Edwin Hubble）发表了他的观测显示出宇宙正在膨胀，但哈勃并没有直接观察到宇宙膨胀，而是他观测了从许多星系发出的光。那光具有一种特征信号，或者叫光谱，基准点是各自星系的成分，如果那星系正相对我们运动，光谱就会发生变化，变化的量是已知的。因此通过分析遥远的星系们的光谱，哈勃能够确定他们的运动速率。他曾预期去发现离开我们的星系的数量和靠拢我们的星系的数量一样多，结果却发现几乎所有星系都在离开我们，且离我们越远的星系，离开得越快。哈勃得出结论说宇宙在膨胀，但其他人试图坚持早前的模型，尝试在静态宇宙的背景下解释他的观测。例如，加州理工（Caltech）的物理学家弗里茨.兹威基（Fritz Zwicky）提议说因某种未知的原因，当光穿越超长距离期间可能慢慢失去能量，这种能量的减少将对应于光谱的变化。兹威基的提议能模拟哈勃的观测。哈勃之后的几十年，许多科学家持续坚持静态的理论。但最自然的模型是哈勃的，暨膨胀的宇宙，而且已经成为大众所接受的模型。
在我们探索宇宙法则的过程中，我们已经构想出大量的理论或模型，例如四元素理论，托勒密模型，燃素理论，大爆炸理论，等等。随着每一个理论或模型，我们的现实以及宇宙基础成分的概念为之而改变。例如，考虑光的理论，牛顿认为光是粒子。这能解释为什么光以直线前进，也可用来解释为什么光从一种介质进入另一种介质时会发生弯折或叫折射，例如从空气进入玻璃或者从空气进入水。
折射：牛顿的光模型可以解释为什么当光从一种介质进入另一种介质时会
弯折，但它不能解释另一种我们现在称作“牛顿环”的现象。
然而粒子理论不能解释牛顿本人所观察到的一种现象，被称作“牛顿环”的现象。在一个平坦的反射性质的盘上放一个眼镜片，用单色光如钠光照亮它。从上方往下看，就会看到一序列的以镜片与盘表面的接触点为中心的亮的暗的圆环。这就很难用光的粒子理论解释，但却可以在波动理论里解释。按照光的波动理论，那些亮的和暗的圆环是由一种叫做干涉的现象引起的。任何波，例如水波，由一序列的波峰和波谷组成。当波相碰撞时，如果波峰和波谷碰巧重叠，它们就彼此加强，导致更大的波，叫做相长干涉，那种情况下的波就是“同相”；在极端相对的情况，当波相遇，一个的波峰刚好碰上另一个的波谷，彼此互相消减，就是“异相”，叫做相消干涉。
在牛顿环里，亮环都位于距离中心点这样的位置，镜片与反射盘的间距是两者反射出的光的波长的整数倍(1, 2, 3,…)，造成相长干涉（波长是一个波峰与下一个波峰之间的距离）；而相对地，那些暗环都位于半整数倍(½, 1½, 2½,…)的位置，造成相消干涉——镜片反射的光波消减了盘子反射的光波。
干涉：如同人类，当波相遇时它们能或者相互增强或者相互减弱。
在十九世纪牛顿环现象被拿来肯定光的波动理论而否定粒子理论。然而在二十世纪早期，爱因斯坦发表了光电效应（现在应用于电视和数码相机），可以解释为光的粒子或量子撞击一个原子并撞出一个电子。因此光的行为既像粒子也像波。
水波干涉：干涉的概念在日常生活的水面中显现，从水塘到海洋。
波的概念进入人类的思想很可能是因为人们观看了海洋，或者就是看了鹅卵石掉进去的鹅水塘。事实上，如果你曾经丢过两个鹅卵石进一个鹅水塘，你很可能已经看到了干涉现象，如同上面的图片。其他液体行为相似，也许除了葡萄酒，如果你已经喝得太多的话。粒子的概念来自于熟知的石头、石子以及沙子。可这种波动/粒子二相性的概念——一个物体既可以用粒子来描述，也可以用波来描述——对日常生活来说就如同你可以喝下沙石一样陌生奇异。
像这样的二相性——两种非常不同的理论精确地解释了同一事物的现象——就与模型相关现实主义是一致的。每个理论可以描述和解释某些属性，却不能说某个理论比另一个更好或更真实。关于宇宙定律，我们所能说就是：看来不存在单个数学模型或理论可以描述宇宙的方方面面。而是如同开篇所说，存在一整套的理论群集，被叫做M理论的。在M理论中的任何单个理论只在某特定范围内很好地描述一些现象。在任何这些范围重叠的区域，不同理论彼此一致，所以它们都可以说是同一理论的一部分。但没有单个理论可以描述宇宙的每一方面——所有自然界的力，对那些力起反应的粒子，以及在其中相互作用的时空框架。尽管这种状况没有满足传统物理学家们对单一统一理论的梦想，但在模型相关现实主义的框架下还是可以接受的。我们将在第5章讨论二相性和M理论，但在那之前我们先讨论量子理论，它是我们对自然的现代观点的基本原理，更具体点，讨论量子理论的方法，叫做可选择历史的。在可选择历史的观点中，宇宙不仅仅只有一个单一存在或历史，而是在所谓的量子叠加范围中同步存在着各种可能版本的宇宙。听起来那可能如同前面提到的“人离开屋子时桌子消失”的理论一样反常，可是可选择历史理论已经经受住了每一种可能的试验考验。
一凡的例行废话：
１. 英文原著：霍金（Stephen Hawking），曼罗迪诺（Leonard Mlodinow）
２. 中文校对：
３. 此翻译纯属一凡业余自译自乐。未经授权。
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