昔日尼采有言“上帝已死”，现在霍金在《大设计》第一页上就宣称“哲学已死”，因为“哲学跟不上科学，特别是物理学现代发展的步伐”。这是一个极为傲慢的“宣言”。
与此同时，上帝也被霍金“扫地出门”，他在《大设计》末尾宣称：因为存在像引力这样的法则，所以宇宙能够“无中生有”，自发生成可以解释宇宙为什么存在，我们为什么存在。所以“不必祈求上帝去点燃导火索使宇宙运行”。也就是说，上帝现在不再是必要的了。
科学家认为不需要上帝来创造宇宙，这听起来当然很“唯物主义”；但是确实有许多科学家相信上帝的存在，相信上帝创造了宇宙或推动了宇宙的运行，他们也同样作出了伟大的科学贡献——牛顿就是典型的例子。“上帝去点燃导火索使宇宙运行”其实就是以前牛顿所说的“第一推动”。
霍金在《大设计》这一头一尾的两大宣言，姿态高傲，大言炎炎，激怒了不少西方人士。例如《经济学人》上的书评认为：霍金宣称“哲学已死”，却把自己当成哲学家，宣布由他来回答那些哲学的终极问题。也许，霍金真的感到自己在哲学上比哲学家更高明？而英国前皇家学院院长、牛津大学林肯学院药理学教授格瑞菲尔德则批评霍金宣称科学可以得到所有答案，“科学总是容易自满。……我们需要保持科学的好奇心与开放性，而不是自满与傲慢。”她还从另一个角度批评说：“如果年轻人认为他们想要成为科学家，必须是一个无神论者，这将是非常耻辱的事情——很多科学家都是基督教徒。”
其实，霍金在《大设计》中的豪情，远远超出了上面这些批评人士的想象。
在哲学和上帝都被宣布“已死”之后，霍金决定由他自己来取代上帝的角色！
我这么说有点危言耸听吗？不，这不是“栽赃”于霍金，而是可以从他自己在《大设计》的叙述逻辑中得到证实的。
“依赖模型的实在论”——霍金在一个根本问题上的站队
在《大设计》中，霍金深入讨论了一个就科学而言具有某种终极意义的问题——霍金其实只是完成了在哲学阵营中的“站队”，并没有提供新的立场。但是考虑到霍金“科学之神”的传奇身份和影响，他的站队和千千万万平常人的站队自然不可同日而语。况且在这个问题上，霍金还提供了一种新的论证。
在《大设计》标题为“何为真实”（What Is Reality?）的第三章中，霍金从一个金鱼缸开始他的论证：
假定有一个鱼缸，里面的金鱼透过弧形的鱼缸玻璃观察外面的世界，现在它们中的物理学家开始发展“金鱼物理学”了，它们归纳观察到的现象，并建立起一些物理学定律，这些物理定律能够解释和描述金鱼们透过鱼缸所观察到的外部世界，这些定律甚至还能够正确预言外部世界的新现象——总之，完全符合我们人类现今对物理学定律的要求。
霍金相信，这些金鱼的物理学定律，将和我们人类现今的物理学定律有很大不同，比如，我们看到的直线运动可能在“金鱼物理学”中表现为曲线运动。
现在霍金提出的问题是：这样的“金鱼物理学”可以是正确的吗？
按照我们以前所习惯的想法——这种想法是我们从小受教育的时候就被持续灌输到我们头脑中的，这样的“金鱼物理学”当然是不正确的。因为“金鱼物理学”与我们今天的物理学定律相冲突，而我们今天的物理学定律被认为是“符合客观规律的”。但我们实际上只是将今天对（我们所观察到的）外部世界的描述定义为“真实”或“客观事实”，而将所有与我们今天不一致的描述——不管来自金鱼物理学家还是来自前代人类物理学家——都判定为不正确。
然而霍金问道：“我们何以得知我们拥有真正的没被歪曲的实在图像？……金鱼的实在图像与我们的不同，然而我们能肯定它比我们的更不真实吗？”
这是一个非常深刻的问题，答案并不是显而易见的。
在试图为“金鱼物理学”争取和我们人类物理学平等的地位时，霍金非常智慧地举了托勒密和哥白尼两种不同的宇宙模型为例。这两个模型，一个将地球作为宇宙中心，一个将太阳作为宇宙中心，但是它们都能够对当时人们所观察到的外部世界进行有效的描述。霍金问道：这两个模型哪一个是真实的？这个问题，和上面他问“金鱼物理学”是否正确，其实是同构的。
尽管许多人会不假思索地回答说：托勒密是错的，哥白尼是对的，但是霍金的答案却并非如此。他明确指出：“那不是真的。……人们可以利用任一种图像作为宇宙的模型。”霍金接下去举的例子是科幻影片影片《黑客帝国》（Matrix，1999～2003）——在《黑客帝国》中，外部世界的真实性受到了颠覆性的质疑。
霍金举这些例子到底想表达什么想法呢？很简单，他得出一个结论：
不存在与图像或理论无关的实在性概念（There is no picture- or theory-independent concept of reality）。
而且他认为这个结论“对本书非常重要”。所以他宣布，他所认同的是一种“依赖模型的实在论”（model-dependent realism）。对此他有非常明确的概述：“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。”霍金特别强调了他所提出的“依赖模型的实在论”在科学上的基础理论意义，视之为“一个用以解释现代科学的框架”。
那么霍金的“依赖模型的实在论”究竟意味着什么呢？
这马上让人想到哲学史上的贝克莱主教（George Berkeley，1685～1753）——事实上霍金很快就在下文提到了贝克莱的名字——和他的名言“存在就是被感知”。非常明显，霍金所说的理论、图像或模型，其实就是贝克莱用以“感知”的工具或途径。这种关联可以从霍金“不存在与图像或理论无关的实在性概念”的论断得到有力支持。
在哲学上，一直存在着“实在论”和“反实在论”。前者就是我们熟悉的唯物主义信念：相信存在着一个客观外部世界，这个世界不以人的意志为转移，不管人类观察、研究、理解它与否，它都同样存在着。后者则在一定的约束下否认存在着这样一个“纯粹客观”的外部世界。比如“只能在感知的意义上”承认有一个外部世界。现在霍金以“不存在与图像或理论无关的实在性概念”的哲学宣言，正式加入了“反实在论”阵营。
对于一般科学家而言，在“实在论”和“反实在论”之间选择站队并不是必要的，随便站在哪边，都同样可以进行具体的科学研究。但对于霍金这样的“科学之神”来说，也许他认为确有选择站队的义务，这和他在上帝创世问题上的站队有类似之处。他认为“不需要上帝创造世界”也许被我们视为他在向“唯物主义”靠拢，谁知“依赖模型的实在论”却又更坚定地倒向“唯心主义”了。
宇宙既然是建构的，那就让我霍金来建构一个。
到这里，霍金在《大设计》中的思路就很清楚了：
他在第二章的结尾处问道：“我们真的有理由相信一个客观实在的存在吗？”而如上所述，他在第三章给出的答案是“不存在与图像或理论无关的实在性概念”，也就是说，不存在纯粹客观的、外在的实在——也就是不存在纯粹客观的、外在的宇宙。
而一个“依赖模型”才有可能把握的宇宙，意味着什么呢？当然意味着这个宇宙必然是人为建构的，或者稍退一步，至少是必然存在着人为建构成分的。
既然宇宙只能是人为建构的，那么很好，就让我史蒂芬·霍金来为你们建构一个。
《大设计》作为霍金的新作，一出版就受到了极大关注——《科学》（Science）、《自然》（Nature）等有影响力的杂志几乎在同一时间发表了评论文章。霍金在《大设计》中两个被认为最为激进的观点——可以视为他建构宇宙的要点，在《科学》和《自然》的书评中都受到了特别的关注：一是他声称利用量子理论证明了“多重宇宙”的存在，我们这个宇宙只是同时从无中生出、拥有不同自然法则的多个宇宙中的一个；二是他预言 M理论（可以视为“超弦理论”的升级版）作为“多重宇宙”法则的一种解释，是“万有理论”的唯一切实可行的候选者。
不过，霍金的宇宙建构，并未因为他的巨大名声而在科学界一言九鼎。
在《自然》杂志的书评作者迈克尔·特纳（Michael Turner）看来，霍金的上述论断其实并不太具有说服力。根本原因是，提出已有半个多世纪的“多重宇宙”这一颇有创见的思想，虽然“有可能是正确的”，但就目前而论，它却连能否获得科学资格都是有疑问的，因为不同宇宙之间无法交流，我们并不能观测到其它宇宙，这导致“多重宇宙”成为一个无法被检验的理论。而特纳认为，霍金在《大设计》中其实只是用“多重宇宙”这一存在争议的观点“替代而不是回答了关于怎样选择和谁选择的问题”，并没有真正回答宇宙为什么是“有”而不是“无”。至于霍金主张的引力让万物从无中生有，则是从根本上回避了空间、时间和M理论为何如此的问题。
不过，霍金建构的宇宙是不是得到物理学家和宇宙学家的认同，不是这篇文章所关心的问题。我们关心的是要证实霍金“取代上帝”的豪情。
这样我们就又要回到上帝问题上来了。
我们当然不必假定上帝的存在，但不管上帝存不存在，人类给他派定的最重要的“职责”不就是创造世界吗？
而创造世界，也就等同于是设计宇宙吗？
那么现在这个为我们设计了一个宇宙的霍金，他不就取代了上帝的“职责”了吗？
——评新作《大设计》
吴忠超
《霍金传》(2007年9月版)封面照片
1997年本文作者(左)与霍金合影
极端物质化的当今世界是否比以前更进步，还是很可疑的事。人们必须做形而上的追求，才能脱离动物界的生存状态。这就是为什么世代有识之士追求存在、生命和宇宙的意义。
解决这些命题本来应该是哲学家的任务，可惜科学的高度发展使得哲学无法跟上。霍金在新著《大设计》的开篇中说到“哲学已死”就是这个意思。可以断定，当今世界已经出现不了康德、彭加莱和罗素这样的人物了。
《大设计》是霍金在《时间简史》之后的最重要的著作，它凝结了霍金20多年来对科学和哲学的思考成果。它是在蒙洛迪诺的技术协助下完稿付梓的。
几千年的文明进程使人们逐步意识到，世间万物的演化是遵循定律而非以人格化的神的意志为转移和运行的。
拉普拉斯首先提出了决定论。霍金接受世界决定论的观点，但他进一步说，由于“具有意识的肉体牵涉到极大量的自由度”，所以只能用有效理论——心理学来处理。在心理学这种有效理论中就可以镶嵌进自由意志。这是极其宝贵的。
近现代科学家们多相信存在独立于观察者的实在，而自然定律只不过是它的数学反映。然而，现代科学的发展却强烈地撼动了这种旧实在论。
霍金认为，判断一种场景是否实在，只在于其间是否有一套完备的自洽的逻辑或定律通行无阻。世界图像是一个模型或理论以及一系列将其元素和观测相连接的规则。霍金将它称为依赖模型的实在性。
这和柏拉图以来的许多哲学家所坚持的旧实在论不同。旧实在论体现在经典科学的图像是存在一个与观察者无关的外部世界。现代物理学，尤其是量子论击碎了旧实在论。
上世纪40年代，费恩曼提出了量子论的历史求和表述。在这个基础上，约翰·惠勒提出了“延迟选择”的理想实验。对于宇宙而言，它的过去具有所有可能的历史，每个历史都被赋予各自的概率，对现时宇宙状态的观测影响它的过去历史。这种分析甚至指出从大爆炸如何引出我们感知的自然定律。这一点对于宇宙学具有关键的意义。
从人类意识到宇宙万物被定律制约，直到今日对万物理论的发展，是一部理性逐步战胜蒙昧的迄今还在继续的史诗。
1965年，宇宙微波背景辐射的发现使大爆炸模型被普遍接受。在大爆炸宇宙场景之先有一个暴胀的过程，它可以解释大爆炸宇宙学中的视界、平性和磁单极子以及宇宙结构的起源问题。但是所有这些都回避不了宇宙学最根本的问题——宇宙的创生。
上世纪80年代，霍金等人提出的无中生有的场景是一个彻底解决宇宙创生问题的最满意方式。那时，理论物理学界认为四维时空中只有一族定律。所以，无边界量子宇宙学不仅是自洽的，还是自足的，单凭物理定律即能预言宇宙中的一切。这一点对于宗教的含意非常深远，上帝在这个场景中已无立足之处。这个观点在《时间简史》中早已表达得很清楚。在《大设计》出版前夕，路透社记者和中外无数媒体仍然耸人听闻地说，“他改变了对上帝的看法。”与其如此，不如说，这些人从来没看懂过《时间简史》。
物理学研究方法通常是从第一原理出发，对某些模型进行研究，进而与观测相比较。但从上世纪中开始，人们发现，在天体物理和宇宙学中，往往还可由观察者存在这个条件出发而得出许多结论。这个原则被称作人存原理。例如，关于我们观察到的时空为何是四维，从人存原理早已得知。从量子宇宙学首次推出我们生活其中的时空为四维是晚近的事。在无边界的超引力宇宙学中，可证明外时空必须是四维的，而内空间为七维的。
人存原理和第一原理似乎处于理论物理的两极，为什么从两者能得出同样的结论呢？
如果我们得知宇宙某一时刻的内外空间的一切信息，则量子宇宙学中的无边界设想的原型仍然适用。然而，人们在现实中只能掌握到外空间的信息，所以对无边界宇宙的场景要做相应的改变。在给定的外空间的状态下，由于内空间的大量可能性，此前宇宙的与无边界设想相符的历史就有许许多多。我们要寻找其中概率最大的那个历史。这个历史同时确定了内空间的“卷缩”方式，并由此导出四维时空的表观定律和初始条件。这种新手段被称为“从顶到底”的方法。这种方法的含义是，我们的观察创造历史，而非历史创造我们。因和果的差异在这里居然消失了。由此也可看出为何从人存原理和第一原理可以得出相同的结论。
无边界量子宇宙学已经把造物主或上帝从宇宙创生的场景中祛除，而这新方法在某种意义上又将我们推上万物之灵的宝座。
从M理论迄今作为终极理论的唯一合格候选者到宇宙的存在和创生，人类已经如此清晰地理解宇宙和我们的存在，这真正是理性的胜利。事实上，任何文化创造，无论是艺术的还是科学的，恐怕都不及理解我们自身存在这个命题伟大。
显然，《大设计》是一部具有求知欲和好奇心的青年人必读之书。
作者简介：
吴忠超，著名物理学家霍金的华人学生。霍金的《时间简史：从大爆炸到黑洞》、《果壳中的宇宙》等作品的中文译者，现任浙江工业大学教授。
史蒂芬 · 霍金和勒纳德 · 穆洛迪诺（Leonard Mlodinow）合著的新书《大设计》（ The Grand Design ）这本书连序共九章，分别为“存在之谜”，“定律规则”，“何为实在”，“可择历史”，“万物理论”，“选择宇宙”，“表观奇迹”，“伟大设计”，最后附有小词典。
两位作者力求对数学和物理学作一个详细的历史性总结，对关系到宇宙及其起源的各种复杂数学模型和数学理论进行阐释。
他们在书中写道 “哲学已死。哲学跟不上科学，特别是物理学现代发展的步伐”，“宇宙创造过程中，上帝没有位置。没有必要借助上帝来为宇宙按下启动键”、“由于存在万有引力等定律，因此宇宙能够，而且将是从无到有自己创造了自己。自然发生说是有物而非无物存在的原因，是宇宙和人类存在的原因。没必要借助上帝引燃蓝色导火线，让宇宙诞生”——换言之，两位作者向世人宣告：哲学和上帝已经双双归西！这会是尼采之后，又一次令人震撼的宣言么?
在这本书的结尾部分，两位作者留下了一系列令人反思的问题。他们写道：“人们可以将生物定义为稳定并能复制自身的有限尺度的复杂系统。上述的对象满足复制的条件，但也许不稳定：从外界来的微小扰动也许会破毁其脆弱的机制。然而，很容易想象，稍微复杂的定律会允许具有生命所有品格的复杂系统。想象那种类型的一个实体，在康威类型世界中的一个对象。这样的对象会对外界的刺激反应，因此显得在做决定。这样的生命有自我意识吗？这是一个有关意见极端对立的问题。有些人宣布自我意识是人类独有的东西。它赋予他们以自由 意志，在不同的行动过程中作选择的能力。”他们追问说，“人们何以识别一个存在是否具有自由意志？如果人们邂逅一个外星人，何以辨识它只不过是一个机器人或拥有自己的精神？机器人的行为是完全被确定的，不象具有自由意志生物的行为。这样人们可在原则上检测出机器人是一个行为能被预言的存在。正如我们在第二章说过的，如果该存在很大很复杂，就或许困难的实现不了。我们甚至不可能精确地解三个或更多的相互作用的粒子的方程。由于具有人的尺度的外星人大约会包含一千亿亿亿个粒子，即便外星人是一个机器人，也不可能解这方程并预言其要做什么。因此，我们只好说，任何复杂存在具有自由 意志——不做为一个基本的特性，却做为一个有效理论，承认我们没能力做出能使我们预言其行为的计算。”
这本书的中译者吴忠超先生在序中说，《大设计》是霍金在其《时间简史》之后最重要的著作。这本书的主题是理解生命，万物和宇宙的存在。
为便于大家对这本书有一本大致的了解，我们将这本书的部分内容收录于后。书的内容来源于网络，如有侵权，请告之，我们将立即处理。
我们个人存在的时间都极为短暂，其间只能探索整个宇宙的小部分。但人类是好奇的族类。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会为这些问题困扰。
按照传统，这是些哲学要回答的问题，但哲学已死。哲学跟不上科学，特别是物理学现代发展的步伐。在我们探索知识的旅程中，科学家已成高擎火炬者。本书的目的是给出由最近发现和理论进展所提示的答案。它们把我们引向宇宙以及我们在其中的位置的最新图像，这种图像和传统的，甚至与仅一二十年前我们画出的图像都大相径庭。尽管如此，新概念的最初梗概几乎可以追溯到一个世纪之前。
根据宇宙的传统观念，物体沿着明确定义的途径运动，而且具有确定的历史。我们能够指定其每一时刻的精密位置。尽管，对于日常的目的这种描述已是足够成功，但在1920年代发现这种“经典”图像不能解释在原子和次原子的存在尺度下观察到的似乎奇异的行为。反而，必须采用一种称为量子物理的不同的框架。结果发现在预见那种尺度的事件时，量子物理特别精确，而且在应用于日常生活的宏观世界时，还重复了旧的经典理论的预言。然而，量子物理和经典物理是基于物理实在性的非常不同的观念之上。
可以用许多不同方式来表述量子论，但是里查德费恩曼给出的表述大概是最直观的。他是一位多姿多彩的人物，在加州理工学院工作，并在街上的脱衣 舞厅敲击小鼓。按照费恩曼的说法，一个系统不仅有一个历史，而且具有每种可能的历史。随着我们寻求答案，我们要仔细地解释费恩曼的方法，并使用它来探讨这种思想，即宇宙的本身没有单独的历史，甚至也没有悠然独立的存在。这听起来似乎是激进的思想，甚至对于许多物理学家而言也是如此。的确，正如当今科学中的许多概念，它似乎违反常识。但是常识是基于日常经验之上，而非基于通过一些无比美妙的技术被揭示的宇宙之上，这些技术中有一部分使我们得以深入窥探原子或者观测早期宇宙。
直至现代物理的出现，一般认为有关世界的一切知识都可以通过直接观测而获取。事物就是它们看起来的样子，正如通过我们的感官而觉察到的。但是现代物理的辉煌的成功显示，情况并非如此。现代物理是基于诸如费恩曼的与日常经验相抵触的概念之上。因此，实在性的幼稚的观点和现代物理不相容。为了对付这样的自相矛盾，我们将采用一种称之为依赖模型的现实主义的方法。它是基于这样的观念，即我们的头脑以构造一个世界模型来解释自感官来的输入。当这样的模型成功地解释事件，我们就倾向于将实在性或绝对真理的品格赋予它，以及组成它的元素和概念。但是在为同样的物理场景作模型时，也许存在不同方法，每种方法使用不同的基本元素和概念。如果两个这样的物理理论或模型都精确地预言同样事件，人们就不能讲一个模型比另一个更真实；说得更精确点，哪个模型更方便我们就随意地使用哪个。
在科学史上，从柏拉图到牛顿的经典理论，再到现代量子理论，我们发现了越来越好的理论和模型序列。人们很自然询问：这个序列最后会终结于一个将包括所有的力并能预言所有对宇宙观测的终极理论吗？或者我们将永远寻求越来越好的理论，但永远找不到不能再改善的那个？我们对这个问题尚无确定答案。但是如果确实存在一个的话，我们现在拥有了一个称作m理论的万物终极理论的候选者。m理论上拥有我们认为最后理论所应具备的所有性质的仅有的模型，在下面讨论中，我们要大量地以它作为基础的正是这个理论。
m理论不是通常意义上的一种理论。它是整个一族不同的理论，其中的每一种只在物理场景的某一范围很好地描述观测。它有点像地图。众所周知，人们用一张单独的地图不能展现地球的整个表面。通常应用于世界地图的麦卡脱投影使遥远的北方和南方的面积显得越来越大，而且不覆盖北南二极。为了如实地绘制整个地球的地图，人们必须利用一组地图，每一张地图覆盖有限的范围。这些地图相互交 叠，在交 叠处，它们展现相同的风景。m理论与之类似。m理论族中的不同理论可显得非常不同，但它们都可认为是同一基本理论的一个方面。它们是基本理论在只适用于有限范围的版本——例如在诸如能量的量的很小的范围。正如麦卡脱投影中交 叠的地图，在不同版本交 叠之处，它们预言相同的现象。然而，正如不存在很好地描绘整个地球表面的平坦地图一样，也不存在很好地描绘在一切情形下观测的单独理论。
我们将要描述m理论如何可能为创生问题提供答案。根据m理论，我们的宇宙不是仅有的宇宙。相反地，m理论预言，众多的宇宙从无中创生。它们的创生不需要某种超自然的存在或上帝的干预。毋宁说，这些多重宇宙从物理定律自然地发生。它们是科学的预言。每个宇宙在后来，也就是说，在象现在这个时刻，当它创生许久之后，具有许多可能的历史和可能的状态。这些状态的大部分完全不像我们观察到的宇宙，完全不适宜于任何生命形式的存在。只有非常少的可允许象我们这样的生物存在。因而，我们的存在从这个大量集合中只选取出那些和我们存在相协调的宇宙。尽管在宇宙的尺度下，我们是弱小和微不足道的，然而这使我们在某种意义上成为万物之灵。
为了最深入地理解宇宙，我们不仅需要知道宇宙是怎样行为的，还需要知道为什么。
为什么存在实在之物，而非一无所有？
我们为何存在？
为什么是这一族特殊的定律而非别的？
这是生命、宇宙和万物的终极问题。我们将试图在本书回答这个问题。不像在《银河系漫游指南》中给出的答案，我们的答案不会简单地为“42”。
几年前，意大利蒙札市议会禁止宠物的主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里。提案的负责人解释此提案的部分理由是，因为金鱼向外凝视时会得到实在的歪曲景色，将金鱼养在弯曲的缸里是残酷的。然而，我们何以得知我们拥有真正的没被歪曲的实在图像？难道我们自己不也可能处于某个大鱼缸之内，一个巨大的透镜扭曲我们的美景？金鱼的实在的图像和我们的不同，然而我们能肯定它比我们的更不真实吗？
金鱼的实在图像和我们自己的不同，但金鱼仍然可以表述制约它们观察到的在鱼缸外面物体运动的科学定律。例如，由于变形，我们观察到的在一根直线上运动的一个自由 物体会被金鱼观察成是沿着一根曲线运动。尽管如此，金鱼可以从它们变形的参考系中表述科学定律，这些定律总是成立，而且使它们能预言鱼缸外的物体的未来运动。它们的定律会比我们参考系中的定律更为复杂，但简单性只不过是口味而已。如果一条金鱼表述了这样的一个理论，我们就只好承认金鱼的风景是实在的一个正确的图像。
托勒密(约公元85年——约公元165年)在公元150年左右提出一个描写星体运动的模型，这是一个实在的不同图像的著名例子。托勒密的研究发表在十三册的一部论文中，这部论文通常以阿拉伯文题目《天文学大成》而众所周知。《天文学大成》从解释为何认为地球是一个球形的静止的位于宇宙中心，并与星空的距离相比是小到可以忽略开始。虽然阿利斯塔克提出日心模型，但至少自亚里士多德时代开始，大多数希腊有教养的人都持有这些信仰，亚里士多德由于神秘的原因相信地球应该是位于宇宙的中心。在托勒密模型中，地球静止地位于中心，行星和恒星在非常复杂的轨道上围绕着它运行，这些轨道牵涉到周转圆，正如轮子上的轮子。
由于我们没觉得脚下的地球在运动(除了地震或者激情澎湃的时刻)，这个模型似乎是自然的。后来的欧洲学术是基于传承下来的希腊之源，于是亚里士多德和托勒密的观念就成为多数西方思想的基础。天主教会采用托勒密的宇宙模型当作正式教义达十四世纪之久。直至1543年，哥白尼才在他的著作《天旋论》中提出一个另外的模型。虽然他已花了几十年来研究此理论，该书在他逝世那年才出版。
正如大约早十七世纪的阿利斯塔克，哥白尼描写其中太阳处于静止，而行星以圆周轨道围绕着它运转的一个世界。尽管这个思想并不新，其复活却遭到激烈的抵制。哥白尼模型被认为和圣经相抵触，尽管圣经从未清楚地说明，但被解说成行星围绕着地球运动。事实上，在撰写圣经的时代，人们相信地球是平坦的。哥白尼模型引起关于地球是否静止不动的狂烈辩论。这个辩论于1633年因伽利略受到异端审判而达到高峰。他的罪名是提倡哥白尼模型并认为“在一种信念被宣布并确定为与圣经冲突之后，人们仍然可以把它当作可能的信念予以坚持并捍卫。”他被裁决有罪，判为终身软禁，并被迫宣布放弃原先的信仰。据说他低声嘀咕道：“可是它仍在运动。”1992年，罗马天主教廷终于承认谴责伽利略是错误的。
那么，托勒密系统或哥白尼系统，哪个是真实的？尽管人们时常说哥白尼证明了托勒密是错的，但那不是真的。正如在我们的正常观点和金鱼的观点相比较的情形，人们可以利用任一种图象作为宇宙的模型，对于我们天空之观测，既可从假定地球处于静止，也可从假定太阳处于静止得到解释。尽管哥白尼系统在有关我们宇宙本性的哲学辩论中的作用很大，然而它的真正优势是在太阳处于静止的坐标系中运动方程要简单得多。
在科幻影片《黑客帝国》(matrix)中发生了不同类型的另外实在。影片中的人类不知不觉地生活在由智慧电脑制造的模拟实在之中，当电脑将他们的生物电能(不管为何物)吸吮时，使他们保持平静而满意。这也许没那么牵强，因为许多人宁愿在网络的虚拟实在中消磨时日，例如“第二人生”。我们何以得知，我们不仅是一部电脑制作的肥皂剧中的角色呢？如果我们生活在合成虚世界中，事件就不必具有任何逻辑或一致性或服从任何定律。进行操控的外星人也许在看到我们反应时会觉得更有趣更开心，例如，如果满月分开两半，或者在这世界上每个节食的人显示对香蕉奶油饼的毫不节制的渴望。但是如果外星人实施一致的定律，我们就无法得知在这模拟的实在背后还有另一个实在。将外星人生活的世界称作“真的”，而把合成世界当作“假的”是很容易的事情。但是如果——正如我们这样——在模拟世界中的生物不能从外面注视到他们的宇宙之中，他们就没有理由怀疑他们自己的实在图像。这是我们都是他人梦中的想象物的观念的现代版本。
从这些例子，我们可得到对本书非常重要的结论：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。
从柏拉图以来的哲学家长期以来争议实在的性质。经典科学是基于这样的信念，存在一个真实的外部世界，其性质是确定的，并与感知它们的观察者无关。根据经典科学，某些物体存在并拥有诸如速率和质量等物理性质，它们具有明确定义的值。在这种观点里，我们理论是试图去描述那些物体及其性质，并且将我们的测量和感觉与之对应。无论是观察者还是观察对象都是具有客观存在的世界的部分，它们之间任何区别都是无意义的。换言之，如果你看到一群斑马在停车场争夺一块地方，那是因为真的有一群斑马在停车场争夺那个地方。所有其他正在看的观察者都会测量到同样的性质，而且不管是否有人在看这群斑马，它们都具有那些性质。在哲学中，这一信仰称为现实主义。
虽然现实主义也许是诱人的观点，正如我们将在下面看到的，我们有关现代物理的知识使得要为它辩护变得非常困难。例如，根据精确描述自然的量子物理原理，除非并且直到一个粒子的位置或速度被一位观察者测量，这个粒子既不拥有明确的位置也不拥有明确的速度。因此，说测量之所以给出一定的结果，是因为被测量的量在测量的时刻具有那个值是不正确的。事实上，在某种情形下，单独的物体甚至并没有独立的存在，而仅作为众多的系综的部分而存在。而且如果一种称为全息原理的理论被证明是正确的，我们以及我们的四维世界可能是一个更大的五维时空在边界上的影子。在那种情形下，我们在宇宙中的状况类似于金鱼的状况。
彻底的现实主义者经常论证道，科学理论描绘实在的证明在于它们的成功。但不同理论可以通过全异的概念框架成功地描述同样的现象。事实上，许多已被证明成功的理论后来被其它基于全新的实在性概念之上的同等成功的理论所取代。
在传统上，那些不接受现实主义的人被称为反现实主义者。反现实主义者相信经验知识和理论知识相互不同。他们一向论争道，观察和实验是有意义的，但是理论只不过是有用的工具，并不体现任何作为被观察现象的基础的更深刻真理。一些反现实主义者甚至要将科学限制于可被观察的东西。因为这个原因，十九世纪时的许多人基于我们永远看不见原子而拒绝原子的概念。乔治·贝克莱(1685—1753)甚至走至如此地步，他断言除了精神及其思想，没有任何东西存在。当英国作家兼辞典编篡人萨缪尔·约翰孙博士的一位朋友对他说起不可能反驳贝克莱的声明时，据说约翰孙的反应是，走近一块大石头，踢它并宣布,“我如此反驳他。”当然，约翰孙感觉的脚痛也还是他头脑中的一个思想，所以他还未真正驳斥贝克莱的观念。但其行为确实解释了哲学家大卫·休谟(1711—1776)的观点。后者写过，尽管我们没有合理的理由信仰一个客观的实在，我们也别无选择，只好装作仿佛它真是那样的。
依赖模型的现实主义使现实主义和反现实主义的思想学派之间所有这类争议变得毫无意义。按照依赖模型的现实主义，去问一个模型是否真实是无意义的，只有是否与观测相符才有意义。如果存在两个都和观测相符的模型，正如金鱼的图像和我们的图像，那么人们不能讲这一个比另一个更真实。在所考虑的情形下，哪个更方便就用哪个。例如，如果一个人处于金鱼缸内，那么金鱼图像会是有用的，但对外界的人们而言，那么在地球鱼缸的参照系里去描述从远处星系来的事件就会非常笨拙，尤其是因为鱼缸随着地球围绕太阳公转并围绕着自己的轴自转而在运动。
我们在科学中制造模型，然而我们日常生活也制造模型。依赖模型的现实主义不仅适用于科学模型，还适用于我们所有人为了解释并理解日常世界而创造的有意识和下意识的心理模型。没办法将观察者——我们——从我们对世界的认识中排除，认识是通过感觉过程以及通过思维和推理方式产生的。我们的认识——而因此我们理论以其为基础的观测——不是直接的，而是由一种类似透镜之物——我们人脑的解释结构而塑造的。
依赖模型的现实主义对应于我们感觉对象的方式。在视觉中，人们大脑从视觉神经接受一系列信号。那些信号并不构成你会从电视接受的那类图像。在视觉神经连接视网膜之处有一盲点，还有你的视场具有高分辨率的部分仅处于视网膜中心周围大约一度的狭窄视角，这个范围的角度和你伸出手臂时大拇指的宽度一样。如此送入你头脑的未加工的数据就像有个洞的模样般古怪的图像。幸运的是，人脑处理那个数据，将两只眼睛的输入结合在一起，假定邻近位置的视觉性质类似，再填满缝隙并应用插入技术。此外，大脑从视网膜读到二维的数据排列并由它创生三维空间的印象。换言之，大脑建立心理图像或模型。
在建立模型方面，大脑是如此称职，如果人们配上一种上下颠倒其眼中之像的眼镜，他们的大脑在一段时间后就会改变模型，使之再次看到在正确方向的东西。如果之后摘下眼镜，在一段时间内，他们看世界是上下颠倒的，然后会再次适应。这表明，当一个人说“我看到一把椅子”时，他的意思仅仅是他利用椅子散射来的光建立一个椅子的心理图像或模型。如果模型上下颠倒，在他坐到椅子上去之前，幸运的是，其脑子改正了那个模型。
依赖模型的现实主义解决或至少避免的另一个问题是存在的意义。如果我走出房间而看不见桌子，我何以得知那桌子仍然存在呢？那么说我们看不见的东西，诸如电子或据说是构成质子和中子的叫夸克的粒子存在是什么意思呢？人们可以拥有模型，在该模型中，当我离开时桌子消失了，而当我返回时，桌子又在同一位置出现了，然而那会是笨拙的。而如果我在外面时发生了某些事情，比如讲天花板落下怎么办呢？在我离开房间时桌子消失的模型下，我能够解释下回我进入时在天花板碎片之下损毁的桌子重现的事实吗？桌子留在原地不动的模型简单得多，并与观测相符。那就是人们能问的一切。
在我们看不见的次原子粒子的情形下，电子是一个有用的模型，它能解释象在一个云雾室中的轨迹和电视显像管上的光点，还有许多其它现象。据说1897年英国物理学家j·汤姆逊在剑桥大学的卡文迪许实验室发现了电子。他是利用在真空玻璃管中的电流来做称为阴极射线现象的实验。从实验里，他获得一个大胆的结论，神秘的射线由微小的“微粒”构成，这种微粒是原子的物质部分，那时原子被认为是物质的不可分的基元。汤姆逊没有看到“电子”，他的实验也没有直接或清晰地证明他的预测。但在从基础科学到工程的应用中这个模型证明是关键的，而现在所有的物理学家都确信电子存在，即便看不到它。
我们也看不见夸克，它是解释原子核中的质子和中子性质的一个模型。虽然说夸克构成质子和中子，因夸克之间的束缚力随着分离而增大，因此孤立的自由 夸克不可能在自然中存在，所以我们永远观察不到夸克。相反地，它们永远以三个一组(质子和中子)或者以夸克反夸克对(π介子)存在，而且它们正像由橡皮带连接在一起似的。
自夸克模型首次提出之后的年代里，人们一直在争议，如果你永远不能分离出一个夸克，说夸克真的存在是否有意义的问题。一些次次核粒子的不同结合构成了某些粒子的思想提供了一种编组原理，由此对其性质给予简单而吸引人的解释。但是，尽管物理学家已习惯于接受那些粒子，它们也只从有关其它粒子散射的数据中的统计的短促哗哗声中推断其存在。对许多科学家而言，将实在性赋予一个在原则上也许不能被观测到的粒子是太过分了。然而，这么多年来，随着夸克模型导出愈加正确的预言，反对的声音也随之消退。某种拥有十七只手臂，红外眼以及习惯从耳朵吹出浓缩奶油的外星生物会进行与我们相同的实验观察，但不用夸克描述之，这是完全可能的。尽管如此，根据依赖模型的现实主义，夸克存在于一个和我们对次核子粒子如何行为的观察一致的模型中。
依赖模型的现实主义能够为讨论诸如以下问题提供框架：如果世界是在有限的过去创生的，那么在那之前发生了什么？一位早期的基督教哲学家圣·奥古斯丁(354—430)说，其答案不是上帝正为问此类问题的人们准备地狱，而是时间是上帝创造的世界的一个性质，时间在创生之前不存在，他还相信创生发生于过去不那么久的时刻。这是一个可能的模型。尽管在世界上存在化石和其它证据使之显得古老的多，(它们被放在那里是用来愚弄我们的吗？)那些坚持创世纪中的叙述确实是真的人很喜欢这个模型。人们还能拥有一个不同的模型，在这模型中时间往回延续137亿年到达大爆炸。该模型解释了包括历史和地学的证据在内的大部分我们的现代观测，它是我们拥有的对过去的最好描绘。第二种模型能解释化石和放射性记录，以及我们接受来自距离我们几百万光年的星系来的光的事实。因此，这个模型——大爆炸理论——比第一个更有用。尽管如此，没有一个模型可以说比另一个更真实。
有些人支持时间能回到甚至比大爆炸还早的模型。目前还不清楚其中时间延续回到比大爆炸还早的模型是否能更好地解释现代的观测，因为宇宙演化的定律似乎在大爆炸处崩溃。如果出现这种现象，那么去创造一个包含早于大爆炸的时间的模型就没有意义，因为那时存在的东西对于现在没有可观测的后果，如此我们也可以坚持大爆炸是世界的创生的观念。
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。
例如，在亚里士多德的理论中，世界由土，气，火和水四种元素构成，而且物体是为了满足它们的目的而行为，这个理论是优雅的，并不包含可调节的元素。但在许多情形下，它并未做出确定的预言，而当它预言时，又并不总与观测一致。这些预言中的一个是，因为物体的目的是下落，因此较重的物体应下落得较快。在伽利略之前似乎没人想到过去验证这个预言。传说他从比萨斜塔上释放重物来检验它。这故事可能是伪造的，但我们确知，他把不同的重物从一斜面上滚下，并且观察到它们都以同样速率获得速度，这与亚里士多德的预言矛盾。
上面的标准显然是主观的。例如，优雅就不是容易测量的某种东西，但科学家们非常珍视它，因为自然定律是意味着把许多特殊情况经济地压缩成一个简单公式。优雅是指理论的形式，但它与缺少可调整元素紧密相关，由于一个充满了修补的因素的理论不很优雅。转述爱因斯坦的话，一个理论应该尽可能简单，但不能更简单了。托勒密把周转圆加到周转圆上，或者甚至在其上再加周转圆。虽然增加的复杂性可使模型更精确，可科学家不满意一个被扭曲去迎合特有的一组观测的模型，他们倾向于把它看成数据表，而非一个可能体现任何有用原理的理论。
在第五章里，我们将要看到，许多人认为描写自然的基本粒子相互作用的“标准模型”不优雅。那个模型比托勒密的周转圆成功得多。它在几个新粒子被观测到之前就预言其存在了，并于几十年间以巨大的精确性描述了极多实验的结果。但它包含了几十个可调节的参数，其数值必须为了配合观测而被固定下来，而不是由理论本身所确定的。
关于第四点，当新的令人震惊的预言被证明正确时，总给科学家留下深刻印象。另一方面，当一个模型发现做不到这一点，一种普遍反应是说实验错了。如果证明不是那种情形，人们经常仍然不抛弃这个模型，而试图通过修正来挽救它。尽管物理学家执着地努力拯救他们赞美的理论，随着改动变得做作而且繁琐，理论因此而变得“不优雅”，人们修正理论的热情也就消退了。
如果容纳新的观测所需的修正过分雕琢，这就标志需要新模型。稳态宇宙的观念是老模型迫于新观测而撤退的一个例子。1920年代，多数科学家相信宇宙是静止的，或者在尺度上不变。后来埃德温 ·哈勃于1929年发表了他的观测，显示宇宙正在膨胀。哈勃观察到由星系发射出的光，但并未直接观察到宇宙在膨胀。那些光携带特征记号，或曰基于每个星系成分的光谱。如果星系相对于我们运动，光谱就会改变一个已知的量。因此，哈勃由分析远处星系的光谱能够确定它们的速度。他原先预料会找到离开我们运动的星系数目与靠近我们运动的星系一样多。相反地，他发现几乎所有的星系都离开我们运动，而且处在越远的地方，它们就越快地运动。哈勃得出结论，宇宙正在膨胀。但其他人坚持早先的模型，试图在稳态宇宙的框架中解释他的观测。例如，加州理工学院的物理学家弗里茨·兹威基建议，也许因某些还未知的原因当光线穿越巨大距离时慢慢地损失能量。这种能量减小会对应于光谱的改变。兹威基提议的这种改变能够模拟哈勃的观测。在哈勃之后的几十年间，许多科学家继续坚持稳态理论，但最自然的模型是哈勃的膨胀宇宙模型，而它已被接受。
在寻求制约宇宙的定律的探索之际，我们表述了许多理论或模型，诸如四元素理论，托勒密模型，热素理论，大爆炸模型等。我们的实在和宇宙的基本成分的概念伴随着每个理论或模型而改变。例如，考虑光的理论。牛顿认为光是由小粒子或微粒构成。这就解释了为什么光会沿直线旅行，而且牛顿利用它来解释当光从一个媒质进入另一个媒质时，比如从空气进入玻璃或者从空气进入水时，它为什么弯折或折射。
然而，微粒论不能用来解释牛顿自己观察到的称作牛顿环的现象。把一个透镜置于一面平坦的反射板上，并用单色光诸如钠光对其照射。从上往下看，人们将看到一系列明暗相间的圆环，它们以透镜和表面接触点为圆心。用光的粒子论来解释这个现象很困难，但在波动论中就能得到解释。根据光的波动论，那被称作干涉的现象导致亮环和暗环。一个波，比如水波，是由一系列波峰和波谷组成。当波碰撞时，如果那些波峰和波谷刚好分别一致，它们就互相加强，获得更大的波。这称为建设性干涉。在这种情形下，波被称为处于“同相”。在另一种极端，当波相遇时，一个波的波峰可能刚好与另一个波的波谷重合。在那种情形下，波相互对消，被称为处于“反相”。这种情形称为破坏性干涉。
在牛顿环中，亮环位于离开中心的距离为该处透镜和反射板之间的分离使得从透镜反射的波和板上反射的波相差整数(1，2，3，……)倍的波长，产生了建设性干涉。(波长是一个波的波峰或波谷和下一个之间的距离)。另一方面，暗环位于离开中心的距离为该处的两个反射波之间相差半整数(1/2，3/2，5/2，……)倍的波长，引起破坏性干涉——从透镜反射的波抵消了从平板反射回来的波。
在十九世纪，这个被用来确认光的波动论，还证明了粒子论是错误的。然而，在二十世纪早期，爱因斯坦证明，用光粒子或量子打到原子上并打出电子可解释光电效应(现在用于电视和数码相机中)。这样，光既作为粒子又作为波来行为。
波的概念深入人心，或许是因为人们见过海洋，或者见过把一块小圆石扔进后的小池塘。事实上，如果你曾将两块小圆石扔进小池，你也许看到了干涉作用，正如在前面图画中那样。其它的液体也能观察到类似的行为，也许除了酒以外，如果你喝得太多的话。从岩石，圆石和沙就很熟悉粒子的概念了。但这种波/粒对偶性——一个物体既可描述成粒子也可描述成波的思想——对于日常经验而言,却犹如你能喝下一块沙岩的想法那么怪异。
类似这样的对偶性——两个非常不同的理论精确地描述了同样的现象的情形——和依赖模型的现实主义相一致。每个理论能描述并解释某些性质，而没有一个理论能说比其它的更好或更真实。考虑制约宇宙的定律，我们所能说的是：似乎不存在一个单独的数学模型或理论能够描述宇宙的方方面面。相反地，正如开篇提到，似乎存在一个称作m理论的理论网络。在m理论网络中，每个理论都能很好地描述在一定范围的现象。只要在其范围交 叠之处，在网络中的不同理论都一致，这样它们都能被称作同样理论的部分。但在这网络中没有一个单独的理论可能描述宇宙的各个方面——自然的所有的力，感受到那些力的粒子，以及这一切在其中发生的空间和时间框架。尽管这种情形未实现传统物理学家的单独统一理论之梦，然而在依赖模型的现实主义的框架中是可被接受的。
我们将在第五章进一步讨论对偶性和m理论，但在这之前，我们将转向量子论，它是作为我们现代自然观基础的基本原理。我们特别要关注称作不同历史的量子论方法。按照那种观点，宇宙不仅具有单独的存在或历史，而是每种可能的宇宙版本在称作量子叠加之中同时存在。这听起来就象只要你离开房间桌子就会消失的理论般的疯狂，然而在此情形下，该理论通过了它所经受的所有实验的验证。
最后，有人调侃到，没有飞出太阳系，就给太阳系画像，跟没见过上帝，就给上帝画像一样，感觉有道理，就是没证据。用3万多天的有限人生，幼稚天真地大胆预言上帝归西……难怪人类一思考上帝就发笑。