第1章
悖论

有这样一个事实可能会构成一个奇妙的比喻：即使是最大的望远镜，其目镜也不能大过人类的眼睛。

20世纪90年代末是宇宙学发现的黄金10年之巅峰。宇宙学，这门敢于在整体上研究宇宙起源、演化和命运的科学，长期以来一直被视为一个天马行空的领域，但在这段时期终于成熟了。精密的卫星和地面仪器给出了引人注目的观测结果，让全世界的科学家都兴奋不已。这些观测正在改变我们对宇宙的认知，就好像宇宙在和我们交谈一样。这些观测结果也是对理论学家提出的猜想的现实检验，告诉他们要收敛一下不切实际的猜想，充实自己的模型，以给出可检验的预言。

在宇宙学中，我们会探索过去发生的事情。宇宙学家们是时间旅行者，望远镜就是他们的时光机。当我们观察深空时，我们会回溯到时间深处，因为来自遥远恒星和星系的光要走上数百万年甚至数十亿年才能到达我们眼中。早在1927年，比利时神父兼天文学家乔治·勒梅特就曾预言，若考虑很长的时间跨度，空间是会膨胀的。但直到20世纪90年代，先进的望远镜技术的出现才使得追踪宇宙膨胀的历史成为可能。

宇宙的历史让人感到有些意外。例如，1998年，天文学家发现在大约50亿年前，空间的扩张开始加速，可是所有已知的物质形式都会互相吸引，因此扩张速度应该减缓才对。从那以后，物理学家们一直在想，这种奇怪的宇宙加速度是不是由爱因斯坦的宇宙学常数驱动的。这是一种看不见、摸不着的暗能量，它会导致引力相互排斥而不是吸引。一位天文学家打趣说，宇宙看起来就像洛杉矶：包含1/3的物质、2/3的能量。

显然，如果宇宙现在正在膨胀，那么它在过去一定是受到挤压的。如果你倒推宇宙历史——当然，这只是一个数学练习——你就会发现，所有的物质曾经都非常密集地聚集在一起，而且那时非常热，因为物质被挤压在一起时会发热并产生辐射。这种原始状态被称为热大爆炸。始于20世纪90年代黄金时期的天文学观测已经将宇宙的年龄——从大爆炸时刻起流逝的时间——定为138亿年，误差范围是2 000万年。

出于对宇宙诞生之谜的好奇，欧洲空间局（ESA，简称欧空局）于2009年5月发射了一颗卫星，完成了有史以来最详细、最雄心勃勃的夜空扫描。它的目标是寻找大爆炸遗留下来的热辐射中一种神秘的涨落模式。宇宙诞生时产生的热量在不断膨胀的宇宙中旅行了138亿年之后，今天到达我们这里的时候已经非常低了：温度为2.725 K，约–270摄氏度。在这个温度下，辐射主要位于电磁波谱的微波波段，因此残余的热量被称为宇宙微波背景（CMB）辐射。

欧空局在捕捉古老热量方面的努力在2013年达到顶峰，当时世界各大报纸的头版上都出现了一幅类似点彩画的奇特斑点图像。图2就是这幅图像，它显示了整个天空的投影，极为详细，包含数百万像素，这些像素代表了空间中不同方向的残余CMB辐射的温度。对CMB辐射如此详细的观测提供了大爆炸后38万年宇宙样貌的快照，当时宇宙已经冷却到几千度，这个温度足以将原始辐射释放出来。从那时起，原始辐射在宇宙中便一直畅行无阻了。

CMB的天图证实，大爆炸的残余热量几乎均匀分布在整个空间中，尽管不是完全均匀。图像中的斑点代表了微小的温度差异，即不超过十万分之一度的微小涨落。这些微小的变化，无论多么微小，都至关重要，因为它们描绘了最终形成星系的种子。如果热大爆炸在任何地方都是完全均匀的，今天的星系将不复存在。

这幅古老的CMB快照代表着我们的宇宙学视界：我们无法往回看得更远了。但是，我们可以从宇宙学理论中收集到一些关于更早时期宇宙运行过程的信息。正如古生物学家从化石中了解到地球上的生命曾经是什么样一样，宇宙学家可以通过破译刻印在这些涨落“化石”中的模式，拼凑出在这张余热图被拓印在天空中之前，宇宙中可能发生的事情。这就把CMB变成了一块宇宙学的罗塞塔石碑，使我们能够追溯宇宙更早的历史，甚至可以追溯到宇宙诞生后的一秒钟。

而我们从中学到的东西也很有趣。我们将在第4章中看到，CMB辐射的温度差异表明，一开始宇宙快速膨胀，然后减速，而最近（大约50亿年前）又开始加速。在很长的时间和很广的空间尺度上，减速似乎反倒成了一种例外，而不是规律。这是宇宙中看似偶然的对生命体友好的特性之一，因为只有在膨胀放慢的宇宙中，物质才会聚集并形成星系。如果不是在过去的膨胀过程中出现了长时间的近乎停顿，就不会有星系和恒星，也就不会有生命。

实际上，在物理学家第一次将我们存在的条件纳入现代宇宙学考量的时候，宇宙的膨胀历史就位于问题中心了。这一时刻发生在20世纪30年代初，当时勒梅特在他的一本紫色笔记本[1]上描绘了一个他所谓的“踌躇”的宇宙，它的膨胀历史很像一次颠簸之旅，这跟70年后的观测不谋而合（见插页彩图3）。考虑到宇宙的可居住性，勒梅特接受了宇宙在膨胀过程中长时间停顿这一想法。他知道，对附近星系的天文观测表明，最近宇宙的膨胀速率很高。但当他以同样的速度回溯宇宙的演化时，他发现这些星系在不超过10亿年前一定会相互重叠在一起。当然，这是不可能的，因为地球和太阳的年龄比这个时间古老得多。为了避免宇宙历史和太阳系历史之间的明显冲突，他设想了一个膨胀得非常缓慢的过渡时期，给恒星、行星和生命留足发展的时间。

自勒梅特的开创性工作以来，物理学家们在几十年里发现了更多这样的“幸福巧合”。从原子和分子的行为到最大尺度的宇宙结构，如果宇宙的任何基本物理性质发生哪怕一个微小的变化，它的宜居性都会大打问号。

比如说引力，这个塑造和支配着大尺度宇宙的作用力。引力是极弱的：需要整个地球的质量才能刚好保持我们的脚站在地面上。但是，如果引力再强一点儿的话，恒星就会更加明亮，因此也会在更年轻的时候消亡，没有时间让复杂的生命在其周围任何一颗被其热量加热的行星上进化出来。

再比如说大爆炸余辉辐射温度十万分之一的微小差异。如果这些差异稍大一点点，比如说取万分之一，宇宙结构的种子大部分都将成长为巨大的黑洞，而不是拥有大量恒星的宜居星系。相反，若是差异更为微小——百万分之一或更小——就不会产生任何星系了。热大爆炸则恰到好处，它以某种方式将宇宙带上了一条对生命体极其友好的道路，而结果直到几十亿年后才会显现出来。为什么会这样？

宇宙中这种幸福巧合的其他例子比比皆是。我们生活的宇宙有3个大的空间维度。3这个数有什么特别之处吗？确实有。哪怕再增加一个空间维度都会使原子和行星轨道变得不稳定。地球将螺旋式地落入太阳的怀抱，而不是在其周围的稳定轨道上按部就班地运行。具有5个或更多大空间维度的宇宙则存在更大的问题。而只有两个空间维度的世界可能无法为复杂系统提供足够的存活空间，如图3所示。三维空间对生命体来说似乎刚好合适。

此外，宇宙的化学性质也不可思议地刚好适合生命存在，这些化学性质是由基本粒子以及它们之间作用力的性质决定的。例如，中子比质子要重一点儿，中子与质子的质量比为1.001 4。如果相反，则宇宙中的所有质子都会在大爆炸后不久衰变为中子。但是没有质子就没有原子核，因此就没有原子，也就不会产生化学结构。

另一个例子是恒星中碳的产生。我们知道，碳对生命至关重要。但宇宙并非生来就有碳，碳是在恒星内部发生的核聚变中形成的。20世纪50年代，英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔指出，恒星中由氦到碳的高效合成取决于束缚原子核的强核力和电磁力之间的微妙平衡。如果强力再强一点点或是弱一点点，哪怕只改变百分之几，那么核子的束缚能就会发生变化，危及碳的结合，从而危及碳基生命的形成。霍伊尔觉得这太奇怪了，以至于他说宇宙看起来就像一个“骗局”，仿佛“一个超级智慧体在瞎捣弄物理、化学和生物学定律”。[2]

但在这些造就生命的精细调节中，最令人感到不解的一种与暗能量有关。我们测量到的暗能量密度值非常小，竟然是许多物理学家认为较自然的数值的1/10123。然而，正是因为暗能量密度这么小，宇宙才得以在暗能量能够聚集足够的力量加速其膨胀之前“踌躇”了大约80亿年。早在1987年，史蒂文·温伯格就指出，如果暗能量密度稍微大一点儿，比如说取较自然的数值的1/10121，那么它的排斥效应就会更强，而且会更早出现，这样宇宙也不太可能形成星系。[3]

简言之，正如史蒂芬在我们的第一次谈话中强调的那样，宇宙似乎是为了让生命成为可能而设计的。著名作家、理论物理学家保罗·戴维斯在谈到宇宙的“金发姑娘”因素时说：“就像金发姑娘和三只熊的故事中的粥[4]一样，宇宙在许多有趣的方面似乎‘正好’适合生命。”[5]虽然这并不意味着宇宙就应该充满生命，但这些现象表明，使宇宙得以如此宜居的这些审慎的调节绝不是这个世界表面上的性质。相反，它们深深地铭刻在物理定律的数学形式中。一大批粒子的质量和性质，支配它们相互作用的力，甚至宇宙的整体组成——所有这些似乎都是为支持某种形式的生命而量身定做的——反映了用以定义物理学家所称的自然法则的数学关系的特定特征。因此，宇宙学中的设计之谜在于，物理学的基本定律似乎是专门为促进生命的出现而设计的，就好像存在一个隐藏的计划，它将我们的存在与宇宙运行的基本规则编织在一起。这看起来不可思议，然而事实就是这样！这个密谋究竟是什么呢？

现在，我要强调的是，对于理论物理学家来说，这是一个非比寻常的难题。通常，物理学家使用自然法则来描述各种现象或预测实验结果。他们还试图推广现有的法则，以便将更广泛的自然现象纳入解释范围。但关于设计的这些问题让我们走上了一条截然不同的道路。它们促使我们反思这些法则的深层本质，以及我们如何与其体系相匹配。现代宇宙学令人激动之处在于，它提供了一个科学框架，在这个框架中，我们有望阐明这一最大的谜团。因为宇宙学是物理学的一个特殊领域，在这里，我们试图解决的问题的内在一部分就是我们自己。

历史上，世界表面上的设计就一直被视为自然运行具有其潜在目的的证据。这一观点可以上溯至亚里士多德，他也许是有史以来最有影响力的哲学家。亚里士多德也是一位敬业的生物学家，他观察到，现实世界中的许多过程似乎充满了意图。他认为，如果缺乏理性的生物做事具有计划性，那么就必然有一个终极之因从整体上来指导宇宙。亚里士多德的目的论论证很有说服力、合乎逻辑且令人满意，并且在某种程度上得到了经验的证实：我们周围的世界到处都是终极之因起作用的例子，从一只鸟收集树枝筑巢，到一条狗在花园里挖洞找骨头。因此，亚里士多德的目的论观点在近两千年的时间里屹立不倒，基本上没有受到质疑，这并不奇怪。

但在16世纪，在欧亚大陆边缘的某个地方，一小群学者的工作引发了现代科学革命。哥白尼、笛卡儿、培根、伽利略和同时代的人强调，我们的感官会背叛我们。他们采纳了一句拉丁语格言：Ignoramus，字面意思是“我们不知道”。这种观点的转变产生了深远的影响。有些人甚至认为这是人类居于这个星球上近20万年来最具影响力的一次转变。此外，它的意义还没有全部显现。至少在学术界，科学革命的直接结果是抛弃了亚里士多德根深蒂固的目的论世界观，代之以自然受理性法则支配的思想，这些理性法则运作于此时此地，而且是可以被我们发现和理解的。事实上，现代科学的本质是，在承认了自己的无知之后，我们可以通过实验和观察，以及开发数学模型把这些观察结果归纳成一般理论或“法则”，从而获得新的知识。

然而矛盾的是，科学革命使宇宙对生命体为何如此友好的这个谜加深了。在科学革命之前，人类对世界的概念是以某种统一为基础的：有生命的世界也好，无生命的世界也罢，都被认为是由一个包罗万象的目标所引导的，无论这一目标是否神圣。世界的设计被视为一个宏大的宇宙计划的表现，这一计划自然地赋予了人类一个特权角色。例如，由亚历山大城的天文学家托勒密在其著作《天文学大成》中提出的古代世界模型，不仅以人类为中心，还以地球为中心。

但随着科学革命的到来，生命与物理学宇宙之间关系的基本性质变得迷惑重重。在过去的近5个世纪中，我们对所谓客观、不近人情、永恒的物理定律竟几乎完全与生命体相适配这一事实的不解，就清晰地展现了这种迷惑。因此，尽管现代科学成功地废除了天与地之间的旧二分法，但它在有生命和无生命的世界之间制造了一道可怕的新裂痕，使人类对自己在宇宙大计划中所处地位的看法变得难以捉摸。

事实上，通过回溯“有法则存在”这一概念的深层根源，我们也许能够更好地理解人类对自然法则本体论的看法是如何形成的。最早关于法则支配自然的想法出现于前6世纪，属于泰勒斯创建的爱奥尼亚学派，该学派活动于米利都，即今天的土耳其西部。米利都是希腊爱奥尼亚地区最富有的城市，是位于米安德尔河流入爱琴海的入海口附近的一个天然港口。在那里，传说中的泰勒斯就像现代科学家一样，喜欢揭开世界的表面看问题，以便在更深层次上认识这个世界。

泰勒斯有一个学生，名叫阿那克西曼德，他创造了希腊人所称的“质询自然”（περι φυσεως ιστοϱια），因此便有了物理学。阿那克西曼德也被尊为宇宙学之父，因为是他第一个将地球想象成一颗行星，即地球是一块自由飘浮在空荡荡的空间中的巨大岩石。他推断，地底下并不是无尽的厚土，也没有巨大的圆柱，而是和我们在头顶上所看到的一样的天空。通过这种方式，他赋予了宇宙以深度，将其从一个上面有天、下面有地的封闭盒子变成了一个开放的空间。这一概念性的转变使人们能够想象天体从地球下面经过，为希腊天文学铺平了道路。此外，阿那克西曼德还写了一篇题为《论自然》的论文，这篇论文已经失传，但被认为包含以下片段：[6]

万物皆源于彼此，化为彼此，一切跟随所需；

因为在时间之神的训示下，它们赐予彼此以公平，弥补彼此之盈亏。

在这几句话中，阿那克西曼德表达了这样一种革命性的观点，即自然既不随意，也不荒诞，而是受某种形式的法则支配。这是科学的基本假设：在自然现象的表面之下，隐藏着一个抽象但合乎逻辑的秩序。

阿那克西曼德并没有详细说明自然法则可能采取何种形式，只是将其与规范人类社会的公民法进行了类比。但他最著名的学生毕达哥拉斯提出，世界秩序以数学为基础。毕达哥拉斯学派给数字赋予了神秘的意义，并试图通过数来构建整个宇宙。他们认为世界可以用数学语言来描述，这一观点得到了柏拉图的采纳和支持，柏拉图把它作为自己真理观的支柱之一。柏拉图将我们的经验世界比喻为一个具有完美数学形式的、更加高级的真实世界的影子，而这一真实世界离我们所感知的世界相当遥远。因此，古希腊人后来相信，即使我们不能轻易触摸或看到世界的根本秩序，我们也可以通过逻辑和理性去推断它。

古人的理论尽管可能令人印象深刻，但他们对自然的推测无论是在实质内容上，还是在方法或风格上，都与现代物理学几乎没有共同之处。一方面，早期希腊人几乎完全基于美学基础和先验假设进行推理，很少或者根本没有对其进行检验。他们完全没有这一概念。因此，他们对“物理学”以及事物规律的概念与现代科学理论毫无相似之处。已故的史蒂文·温伯格在其最后一本书《给世界的答案》中指出，从当代的观点来看，最好不要把早期希腊人当成物理学家或科学家，甚至哲学家，而要当成诗人，因为他们的方法论与今天的学术实践有着根本的不同。当然，现代物理学家也从他们的理论中看到了美，大多数现代物理学家在研究中也对美学考量很敏感，但这些考量不能替代我们用实验和观测的手段对理论的验证，毕竟实验和观测才是科学革命的关键创新。

尽管如此，柏拉图将世界数学化的构想仍将被证明具有巨大的影响力。20个世纪之后，当现代科学革命开始时，其主要参与者正是出于他们对柏拉图计划的信仰，去寻求一种用数学关系来支撑物理世界的隐秘秩序。伽利略写道：“这本伟大的自然之书，只有那些知道它所用语言的人才能阅读。而这种语言就是数学。”[7]

艾萨克·牛顿，一名炼金术士、神秘主义者，虽性格难处，却是有史以来最有影响力的数学家之一，他用《自然哲学的数学原理》巩固了数学方法在自然哲学研究中的地位，这本书可以说是科学史上最重要的书。在1665年瘟疫肆虐、剑桥大学闭校期间，牛顿为这本书的写作开了个好头。作为一名新科文学学士，牛顿回到了他母亲在林肯郡的家和苹果园。在那里，他思考了微积分、引力和运动，并用棱镜散射光线，表明白光是由彩虹的颜色组成的。但直到很久以后的1686年4月，牛顿才将《自然哲学的数学原理》（以下简称《原理》）交由皇家学会出版，其中包括三条运动定律和万有引力定律。后者也许是最著名的自然法则，它指出两个物体之间的引力与物体的质量成正比，并与距离的平方成反比。

牛顿在《原理》中证明，无论是神圣的天堂还是我们周围不完美的人类世界，其运作方式均以同样的普遍性原理为基础，这标志着在概念上和精神上与过去的决裂。人们有时认为是牛顿统一了天地。他将行星的运动表述成一系列数学方程式，改变了以往对太阳系的所有图形化的描述，标志着从魔法时代向现代物理学的转变。牛顿的体系提供了后来所有物理学家都遵循的一般范式。与古希腊人的“物理学”不同，当代物理学家对牛顿的物理学感到非常亲切。

牛顿定律的一个著名的成功案例是1846年海王星的发现。早先的天文学家发现天王星的轨道与牛顿引力定律预言的轨道略有偏离。法国人于尔班·勒维耶试图解释这一难以消除的差异，他大胆地提出，天王星的轨道之所以偏离，是因为一颗未知的、更遥远的行星，它的引力稍微影响了天王星的轨迹。利用牛顿定律，勒维耶预测出这颗未知行星在天空中应该所处的位置，以解释天王星在轨道上的偏离——前提是牛顿定律是正确的。天文学家很快就发现了海王星，距离勒维耶所指的位置不到一度。这成了19世纪科学界最引人注目的时刻之一。人们说勒维耶“在笔尖下”发现了一颗新行星。[8]

几个世纪以来，牛顿定律不断取得诸如此类的惊人成功，这似乎证实了牛顿定律是一个普遍的、决定性的真理。早在18世纪，法国数学家约瑟夫·路易·拉格朗日就说过，牛顿很幸运地生活在人类历史上能够发现自然规律的独特时期。事实上，牛顿本人似乎只是没有去阻止这一新神话的出现。他沉浸在神秘主义的传统中，将自己发现的定律的优雅数学形式视为上帝思想的体现。

这种自然规律的数学表述也就是当今物理学家所说的“理论”。物理理论的实用性和预言能力来自这样一个事实：它们以抽象的数学方程来描述现实世界，人们可以操纵这些方程来预言将发生的事情，而不需要实际观测或做实验。这确实行得通！从海王星的发现到引力波的测得，再到对新基本粒子及其反粒子的预言，物理学定律的数学基础一再指向新的、令人惊讶的自然现象，这些现象后来都被人们观察到了。出于对这种预言能力的敬仰，诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克把寻找有趣、美丽的数学原理作为研究物理学的首选方式，这是出了名的。他说，数学“会牵着你的手”，“去发现新的物理理论”。[9]今天的弦论学家在寻找最终的统一理论时，大多采用了狄拉克的格言——他们有时会禁不住先辈们的煽惑，将其理论体系中的数学之“美”作为其“真”的保证。不止一位弦论的先驱曾深情地表示，弦论的数学结构太过美丽，很难想象它与自然无关。

然而，在更深层次上，我们仍然不太理解为什么理论物理可以如此成功。为什么自然界要顺应于这一系列在其背后运作的微妙的数学关系？这些定律到底意味着什么？它们又为何采取这样的形式？

在这一点上，大多数物理学家继续追随柏拉图的脚步。他们倾向于将物理学定律视为永恒的数学真理，它们不仅存在于我们的头脑中，而且运作于超越物理世界的抽象现实中。例如，他们通常认为引力定律或量子力学是某个终极理论的近似，该终极理论存在于尚未被发现的某处。因此，虽然在现代科学时代，物理定律首先以工具的形式出现，用以描述所发现的自然界规律，但自牛顿确定其数学根源以来，它们就有了自己的灵魂，获得了一种超越物理世界的实在性。对20世纪初的法国博学家亨利·庞加莱来说，无条件相信柏拉图的定律是做一切科学研究必不可少的前提。

庞加莱的愿景虽然很有趣，也很重要，但也令人费解。柏拉图的理念中这些远在天边的法则到底是如何结合在一起来支配一个物理宇宙的，而且还是这么一个对生命体友好的美好宇宙？而关键是，宇宙大爆炸的发现，意味着这不仅仅是一个哲学问题。事实上，如果大爆炸真的是时间的起源，那么庞加莱的理论最好是对的，因为如果是物理定律决定了宇宙如何开始，人们就会认为它们一定存在于时间之外。有趣的是，大爆炸理论将看似纯粹形而上学的思考拖入了物理学和宇宙学领域。这一理论将一些有关物理定律最终是什么的假设推到了我们面前。

最后，物理学定律以某种方式超越自然世界的这一想法可能还有一个风险，即它会使这些定律对生命超乎寻常的适应性的根源变得完全神秘莫测。坚持这一想法的物理学家只能寄希望于，那个终极理论核心处强大的数学原理有朝一日能够解释它们有助于生命产生的特性。当今的柏拉图主义者对大设计之谜的答案是，这将成为一个数学必然性的问题：宇宙之所以如此，是因为大自然别无选择。从某种程度上说，这是一个答案，它有点儿像亚里士多德的终极之因的感觉，只是伪装成了现代理论物理学的样子。此外，且不谈这种终极理论仍是一个遥远的梦想，即使我们真的发现了如此强大的数学原理，它也很难解释为什么宇宙对生命体恰好如此友好。任何一种柏拉图式的真理都无法弥合在现代科学诞生之初产生的无生命世界和有生命世界之间的鸿沟。相反，我们不得不断定，生命和智慧只是在一个基本上没有人情味的理想数学现实中的幸福巧合，没有更深层次的意义了。

关于物理学和宇宙学设计问题的这些柏拉图式倾向，虽说没有明显的错误，却与自达尔文以来的生物学家们在生命世界中所看到的设计方式大相径庭。

在生物世界中，目标导向的过程和看似有目的的设计似乎无处不在。事实上，正是这些现象构成了一开始亚里士多德的目的论自然观的基础。生命有机体是极其复杂的，即使是一个活细胞，也包含五花八门的分子成分，它们出色地配合以完成许多任务。在更大的生物体中，大量的细胞协同工作，以构建精细的、有功能性的结构，如眼睛和大脑。在查尔斯·达尔文之前，人们无法理解物理和化学过程怎么能够产生如此惊人的功能复杂性，于是他们引入了一位设计师来解释。18世纪的英国牧师威廉·佩利（William Paley）用手表的运转机制来比拟这些生命世界中的奇迹。佩利认为，就像一块手表一样，生物世界中设计的痕迹太明显了，不容忽视，而“设计就必须有设计师”。[10]但达尔文颠覆性的进化论将这种目的论思维从生物学中干脆利落地消除了。达尔文的深刻见解是，生物进化是一个自然过程，而简单的机制——随机变异和自然选择——就可以解释生命体中看似被设计的过程，无须引入设计者的角色。

在加拉帕戈斯群岛，达尔文发现了各种各样的雀科鸟，它们的喙的大小和形状各不相同。地雀类的喙很结实，能有效地敲碎坚果和种子，而树雀类的喙是尖尖的，很适合抓取昆虫。这些以及达尔文旅途中收集的其他数据向他表明，不同种类的雀鸟是有联系的，并在其特定生态位的影响下随着时间的推移而进化。1837年，达尔文乘坐小猎犬号考察船前往加拉帕戈斯，刚出航不久，他在一本红色笔记本上画了一棵不规则分枝的树的简单草图。这张关于一棵祖先树的草图，引出了他那个深刻而迅速发展的理论，即地球上的所有生物都具有关联性，且是由一个共同的祖先——图中的树干——进化而来的。这种进化是通过对随机变异的复制基因进行逐步渐进的环境选择来进行的（见插页彩图4）。

达尔文主义的核心思想是，大自然不会展望未来——它不会预测我们需要什么才能生存。相反，任何趋向性，如喙的形状变化或长颈鹿脖子长度的逐渐增长，都是由环境选择压力引起的，环境选择压力会在很长时间范围内起作用，来放大有用的特征。

20多年后，达尔文写道：“生命及其蕴含之力能，最初由造物主注入到寥寥几个或单个类型之中；当这一行星按照固定的引力法则持续运行之时，无数最美丽与最奇异的类型，即是从如此简单的开端演化而来，并依然在演化之中；生命如是之观，何等壮丽恢弘！”[11][12]

达尔文进化论颠覆了佩利的观点，它证明了这块手表并不需要瑞士制表师。它对生命世界进行了彻底的进化论描述，在这个世界中，表观上的设计——包括其遵循的规律——被理解为在自然过程中涌现[13]的性质，而不是某些超自然创世之行为的结果。

然而，尽管生物法则如此壮丽恢弘，但人们通常认为它没有物理学法则那么基本。因涌现而产生的类似法则的范式虽然可能会持久，但没有人认为它们是永恒的真理。此外，在生物学中，决定论和可预测性的奠基性作用要小得多。牛顿运动定律是属于决定论范畴的：它们允许物理学家根据物体今天（或过去任何时刻）的位置和速度，预测未来任何时刻物体的位置。而在达尔文的体系中，生物系统中突变的随机性意味着几乎没有任何事物可以提前确定，甚至连某一天可能涌现出什么规律也无法确定。这种决定论的缺乏给生物学注入了一种回顾性的元素：人们只能通过回溯时间来理解生物进化。达尔文的理论并没有详细描述从最早的生命到今天多样而复杂的生物圈的实际进化路径。它不能预言生命之树，因为那不是，也不可能是它的目的。相反，达尔文的天才之处在于他对一般组织性原则的描绘，同时将特定的历史记录留给了系统发育学和古生物学。也就是说，达尔文的进化论认识到，我们所知道的生命是规律和特定历史的共同产物。它的效用在于，它使科学家能够从我们今天对生物圈的观察和共同祖先的假设出发溯及既往，构建生命之树。

达尔文的雀鸟就是一个很好的例子。如果达尔文按照从古到今的方向推理，试图从有生命前地球的化学环境出发，预测加拉帕戈斯群岛上的各种雀鸟物种，那么他将一败涂地。不能仅仅根据物理和化学定律来推断雀鸟或栖息于我们这个星球上的任何其他物种的存在，因为生物进化过程中的每一个分支都是一场运气的游戏。一些偶然的结果受到环境条件的青睐，由此被固定下来，通常会在后面的进化阶段产生戏剧性的后果。这些被定格的偶发事件有助于确定后续进化的特征，甚至可能形成新形式的生物学规律。例如，一些集体的分支产生了有性生殖生物体，而孟德尔遗传定律的诞生就来源于这样的结果。

在图5中，我画出了基于核糖体RNA（核糖核酸）序列分析得到的生命系统发育树的现代版本，展示了细菌、古菌和真核生物三个域及其在树底部的共同祖先。这棵树上的一切，从它的分子基础到它的雀类分支，都浓缩了数十亿年来化学和生物迂回复杂的探索历史，使生物学成为一门以回顾性为主的科学。正如进化生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德所说：“如果我们将生命史的磁带‘倒带’并重新播放，所进化出来的物种、身体构造和表型可能会完全不同。”[14]

生物进化的这种内在的随机性也扩展到了历史的其他层面，从非生物起源到人类历史都有。像达尔文一样，历史学家在解释历史进程中偶然的意外时，是将描述“如何”和解释“为什么”这两件事区分开来的。为了描述“如何”，历史学家像生物学家一样进行事后推理，并重建从一个时间节点到给定结果的具体事件序列。然而，要解释为什么，则需要人们像物理学家一样思考，并朝着时间流逝的方向努力，以识别出一些符合因果性及决定论的关联，这种关联会预测出某一特定的历史路径，而不是其他。对历史的肤浅解读往往看似对事情为什么以这种方式而不是那种方式发生提供了一种符合因果性及决定论的解释，但更细致的分析就会揭示出处于历史岔路口相互竞争的力量之间错综复杂的网络，再加上大量的突发事件，使得这条历史路径扑朔迷离，当然也不是非走不可。这迫使人们只能去描述“如何”，而不是“为什么”。

透过我的办公室窗户，我能看到一片树林，它的位置就在滑铁卢战场以南几英里[15]。1815年6月17日，在决定性战斗的前夕，拿破仑·波拿巴命令他的将军埃曼努尔·格鲁希追击普鲁士军队，以防止他们与占据北部阵地的英联军会师。格鲁希恪尽职守，带领法军精锐部队向东北进军，但未能发现普鲁士军队。翌日清晨——就在我能看到的这片树林中——他听到远处法军加农炮的低沉声音，意识到战斗已经开始。在关键的几分钟里，他犹豫了一下是否要违抗拿破仑的命令，回头支援留在那里的法军。但他选择继续前进，去追击普鲁士军队。格鲁希当时的决定是一次非同寻常的“定格偶发事件”，不仅影响了战斗的结果，也影响了欧洲历史的进程。

再举一个例子，考虑一下4世纪基督教在罗马帝国的兴起。306年君士坦丁大帝登基时，基督教不过是一个默默无闻的教派，正与当时的众多其他教派争夺影响力。为什么基督教会占领罗马帝国并成为普遍的信仰？历史学家尤瓦尔·赫拉利在其著作《人类简史》中认为没有符合因果性的解释，基督教在西欧影响力的主导应被视为又一次“定格偶发事件”。赫拉利声称“如果我们能够将历史倒回，将4世纪重演100次，我们会发现基督教占领罗马帝国的机会只有几次”，这与生物学上古尔德的观点遥相呼应。但基督教的定格偶发事件产生了深远的后果。其中之一是，一神论鼓励人们相信上帝是创世主，并为所创造的世界制订了合理的计划。难怪12个世纪后，当现代科学终于在基督教的欧洲出现时，早期科学家将他们的研究视为一种宗教追求，为我们仍在努力解决的大设计之谜设定了一个大背景。

总的来说，从人类历史到生物学以及天体物理演化，历史上的每一个节点都有无数条道路，这意味着决定论的解释只能是粗枝大叶的。在进化的任何阶段，决定论和因果性都只塑造了大致的结构趋势和性质，通常是基于在复杂程度较低的对象上起作用的规律。例如，充满偶发性意外的人类历史，到目前为止，除了几次到太阳系其他天体的短途旅行外，大部分都是在地球范围内上演的。考虑到产生人类生命的物理和地质环境，这种行星范围内的限制并不奇怪，而且是可以预测的，但它几乎没有告诉我们人类历史上任何一个时代的任何具体情况。

同理，门捷列夫元素周期表上化学元素的顺序和周期表的结构基本上是由较低层面的粒子物理定律决定的。但地球上元素的具体丰度则取决于引发地球演化，以及演化中出现的无数偶发事件。

再到生物化学层面，考虑这样一个规则，即地球上所有生命都基于DNA（脱氧核糖核酸），且基因都由以A、C、G和T为缩写的4个核苷酸组成。DNA分子这种特定的基石可能是我们星球上自然发生过程的偶然结果。但是，生命为了维持自身所必须掌握的基本计算能力则位于更深层次，很可能需要根据基本的数学和物理原理来决定遗传信息分子载体的广泛结构特性。1948年，匈牙利裔美国数学家约翰·冯·诺伊曼通过构建自我复制自动机理论证明了这一点。在沃森和克里克发现DNA结构的5年前，冯·诺伊曼发现了生命为了生存必须克服的关键计算问题，并提出了一种巧妙的结构——该结构似乎是唯一可能实现复制能力的结构。他画的结构一看就知道是DNA。

进化不断地建立在大量的定格事件链之上。较低的复杂性水平为更高水平的进化创造了环境，但这仍然为令人吃惊的意外留下了太多的空间，以至于极不可能的路径常常成为现实，同时决定论也失效。无数分支事件的偶然结果为进化注入了一个真正的涌现因素。它们增加了较低层次法则中未包含的大量结构和信息，更高层次的与法则类似的新范式就出现于这些结构和信息中，并且经常出现。例如，虽然今天没有一位严肃的科学家相信生物学中存在着特殊的、没有物理化学起源的“生命力”，但仅靠物理层面并不能决定地球上的生物学法则有哪些。

* * *

1859年11月24日，查尔斯·达尔文出版了他的代表作《物种起源》。仅仅18天后，他就收到了天文学家约翰·弗雷德里克·威廉·赫歇尔爵士的来信。赫歇尔是天王星发现者的儿子，他对达尔文进化论图景里的任意性表示怀疑，称他的书不过是“乱七八糟的法则”。[16]然而，这正是它的力量所在。达尔文理论的美妙之处在于，它综合了生命世界中随机变异和环境选择相互竞争的力量。达尔文发现了生物学中“为什么”和“如何”之间的黄金节点，将因果性解释与归纳性推理结合在一个自洽的方案中。他表明，尽管生物学本质上具有历史性和偶然性，但它可以成为一门真正富有成效的科学，可以增进我们对生命世界的理解。

达尔文主义推进了科学革命，并将其扩展到一个目的论观点似乎无懈可击的领域——生命世界。但它所显现出的世界观与现代物理学的世界观有着天壤之别。这种差异在它们对大设计之谜的不同看法中表现得最为明显。一方面，达尔文主义为生命世界中大设计的形态提供了完全进化论式的理解。而另一方面，物理学和宇宙学则首先着眼于永恒的数学规律的本质，以解释是什么使得向生命的过渡成为可能。生命科学领域的学者和物理学家都经常将达尔文进化论“乱七八糟”的方案与物理学定律严格、不可变通的特性进行对比。人们认为在物理学的底层起支配作用的，不是历史和进化，而是永恒的数学之美。勒梅特认为宇宙在膨胀的深刻见解，显然为宇宙学引入了浓重的进化论思想。然而，在涉及表面的大设计之根本起源的更深层次上，插页彩图中勒梅特和达尔文的草图（分别为彩图3和彩图4）似乎显露出截然不同的世界观。自科学革命以来，正是这一观念上的鸿沟将生物学和物理学割裂开来。

从史蒂芬最早期的科学事业开始，如何弥合这一裂痕的问题就一直萦绕在他的脑海中，但真正的研究计划直到20世纪末才形成。此时，他的大部分研究工作都围绕着宇宙设计之谜展开。他对这一问题的关注，不亚于对从内部改变宇宙学的关注。

让我们再回到这段宇宙学发展的黄金时期。宇宙正在加速膨胀，这一意外的观测发现与其他同样令人惊讶的理论发展都表明，物理学定律可能根本不是板上钉钉的事。越来越多的证据表明，至少物理定律的某些性质可能不是数学上的必然，而是一种偶然，它们反映了宇宙从热大爆炸冷却下来的一种特殊方式。从粒子的种类到相互作用力的强度，再到暗能量的占比，很明显，宇宙适宜生命体存在的特质可能并不像出生证明一样一开始就被刻进它的基本架构中，而是隐藏在热大爆炸深处的古老进化的结果。

不久，弦论学家开始设想一个多样化的多元宇宙，即一个巨大的、快速膨胀的空间，由多个岛宇宙拼凑而成，每个岛宇宙都有自己的物理学定律。宇宙这一宏大的扩展彻底改变了人们对宇宙学精细调节的观点。多元宇宙的支持者并没有哀悼他们唯一能预测世界模样的终极理论梦想的破灭，而是试图通过将宇宙学转变为一种环境科学（尽管它这个环境非常之大！）来扭转这一令人尴尬的失败。一位弦论学家将多元宇宙中物理定律的局部特征比作美国东海岸的天气：“变幻莫测，几乎总是很可怕，但偶尔也很可爱。”[17]

我们可以从科学史中感受到这种变化的重要性。1597年，德国天文学家约翰内斯·开普勒在古老的柏拉图多面体的基础上提出了一个太阳系模型，柏拉图多面体包括5个正多面体，其中以立方体最为著名。开普勒设想将6颗已知行星的近似圆形轨道附着在围绕太阳旋转的不可见球面上。然后，他假设这些球面的相对大小是由以下条件决定的：每个球面（除了最外层土星的那一个）正好卡在其中一个正多面体的内部，同时每个球面（除了最内层水星的那一个）又正好卡在其中一个正多面体的外部。[18]开普勒画的图（图6）对这一结构做了说明。当开普勒将这5个几何实体按正确的顺序一个里面套着一个，并紧紧卡在一起时，他发现嵌于其中的球面之间的间隔与每个行星到太阳的距离相对应，其中土星沿着最外层多面体的外接球面运转，不同行星轨道的相对半径保持不变。以这一理论为基础，他预测行星的总数就是6颗，还预测了它们轨道的相对大小。对于开普勒来说，行星的数目和它们到太阳的距离是自然界深层次数学对称性的表现。他的《宇宙的奥秘》实际上是在试图将古代柏拉图关于球体和谐的梦想与16世纪关于行星围绕太阳转的见解真正调和起来。

在开普勒的时代，人们普遍认为太阳系就是整个宇宙了。没有人知道每颗闪烁的星星其实也是一个太阳，有自己的行星系统围着它转。因此，认为行星轨道就是最基本的物理定律是很自然的。而如今我们知道，行星的数目和它们与太阳的距离都没有什么特别的意义。我们明白，行星在太阳系中的排列并不是独一无二的，甚至也不是特殊的，而只是原始太阳周围一群旋转的气体和尘埃经过特定的历史过程而形成的。在过去的30年里，天文学家观测到了成千上万种行星系，它们的轨道结构千差万别。有些恒星周围有像木星那么大的行星，在数天内就能绕恒星转一圈，有些恒星周围则有3个乃至更多温度适宜、类似地球的行星，还有些行星系中有两颗恒星，日夜交替混乱，并有许多其他奇怪的天体现象。

如果我们真的生活在多元宇宙中的话，那么我们宇宙中的物理定律就会遭遇与太阳系中的行星轨道同样的命运。若想追随开普勒的脚步，为孕育生命的精细调节过程寻找更深入的解释，那注定徒劳无功。在多元宇宙中，这些法则的生命体友好特性只是在热大爆炸中出现的一些随机过程的偶然结果，这些随机过程产生了我们这个特殊的岛宇宙。多元宇宙的支持者认为，当今的柏拉图主义者一直在盯着一个错误的方向。他们认为，迫使宇宙适于生命体居住的并不是深刻的数学真理，而只是宇宙某个部分的一个极好的天气。对宇宙大设计的任何想象，都是幻觉。

然而，当我讨论到霍金最终理论的核心时，这个推理中还隐藏着一个至关重要的问题：多元宇宙本身就是柏拉图式的构造。多元宇宙理论假设某种永恒的元法则支配着整个宇宙，但这些元法则并没有指明我们应该位于众多宇宙中的哪一个之中。这是一个问题，因为如果没有一条规则将多元宇宙的元法则与我们岛宇宙中的局域法则联系起来，这个理论就会陷入一个悖论的螺旋中，使我们根本无法进行可验证的预测。多元宇宙的宇宙学从根本上是不确定、不明晰的。它缺乏关于我们在那张神奇的宇宙拼图中的行踪的关键信息，因此，它无法预测我们应该看到什么。多元宇宙就像一张没有个人识别密码的借记卡，或者更糟糕，像一个没有指南的宜家储物间。从深刻的意义上讲，该理论未能说明在这茫茫宇宙中，我们是谁，以及我们为什么在这里。

然而，多元宇宙论者不会轻易放弃。他们提出了一种修补这一理论的方法，这一提案如此激进，以至于从诞生起就震撼了科学界。这就是人择原理。

1973年，“人择原理”进军宇宙学。天体物理学家布兰登·卡特是史蒂芬在剑桥的同学，他在克拉科夫的一次纪念哥白尼的会议上提出了这一原理。这是一个不寻常的历史转折，因为在16世纪，哥白尼迈出了将人类从宇宙中的核心地位降级的第一步。[19]4个多世纪后，卡特同意哥白尼的观点，即我们人类不是宇宙秩序的中心。不过他推断说，如果我们认为自己在任何方面，尤其是在对宇宙的观察方面都没有任何特殊性的话，我们不也是误入歧途了吗？也许我们发现宇宙是这个样子，正是因为我们身处其中的缘故？

卡特说得有道理。在我们不存在的时间或地点，我们肯定不会观察到任何东西。早在20世纪30年代，像勒梅特和美国天文学家罗伯特·迪克这样的科学家就已经思考了宇宙需要具备哪些特性才能支持智慧生物的存在。比方说，无论是智慧生命还是其他的生命形式，都依赖于碳元素，而碳是由恒星中的热核燃烧聚变而成的，这一过程需要数十亿年。膨胀宇宙若非包含数十亿光年的空间，则无法提供数十亿年的时间。因此勒梅特和迪克总结道，我们不应该对我们生活在一个古老而庞大的宇宙中感到惊讶。膨胀的宇宙中出现了一个可以让由碳组成的天文学家们工作的最佳时期，而这必然会影响他们所能看到的东西。

这些结论与我们在日常生活中考虑选择偏倚[20]时得出的结论没有本质区别，但卡特更进了一步——应该说是一大步。他认为，选择效应不仅会出现在我们这个单一宇宙中，而且会出现在多元宇宙中。他认为人择原理在起作用，这一规则凌驾于支配多元宇宙的、没有人情味的元法则之上，体现了宇宙中生命所需的最佳条件，并以“行动”来选择众多宇宙中哪一个应该属于我们。

这确实是一个激进的想法。卡特的人择原理再一次将生命体置于特权地位，把它放到诠释宇宙的核心，从而使我们后退了5个世纪，回到了哥白尼之前。这一想法设定了某种为人偏爱的事物形态，包括生命、智力，甚至意识等，甚至有和目的论——亚里士多德的观点——相勾连的嫌疑，而后者已经被科学革命推翻了，反正我们认为是这样。

因此，难怪当卡特在1973年首次提出他的宇宙学人择原理时，他的想法被人们嗤之以鼻，当作是无稽之谈。毕竟，当时对于不管什么样的多元宇宙，顶多只有些零零散散的理论依据。但来到20世纪末，当事情出人意料地峰回路转时，多元宇宙理论获得了广泛认同，卡特的人择思想迅速复活，并抓紧机会在这一巨大的宇宙拼图中弄清我们的位置。人择原理渐渐被视为多元宇宙理论的个人识别密码，将其从抽象的柏拉图式大厦转变为具有解释物理现象之潜力的真正理论。

多元宇宙爱好者宣称，他们已经找到了宇宙设计之谜的第二个可能答案——第一个可能答案是，这只是一个巧合，是处于存在问题之核心、非常深刻但（迄今为止）仍保持神秘的数学原理产生的一个幸运结果。而来自人择多元宇宙学的新答案是，表面上的设计是我们这个“局域”宇宙环境的属性：我们居住在一个罕见的对生命体友好的宇宙中，该宇宙位于一个由许多岛宇宙组成的巨大宇宙拼图中，被人择原理挑选了出来。这一发展令人兴奋不已。林德宣称：“宇宙和我们自身是在一起的。我无法想象一个自洽的宇宙理论可以忽视生命和意识。”[21]斯坦福大学（该校可以给人以大胆想象的底气）的强硬派弦论学家伦纳德·萨斯坎德在其《宇宙景观》（The Cosmic Landscape）一书中将客观的元法则与主观的人择原理一起描绘为基础物理学的新范式。

粒子物理学泰斗史蒂文·温伯格也表示，人择思路预示着宇宙学新时代的黎明即将到来。他在20世纪60年代末提出的大统一思想，即认为电磁力和弱核力是一体的，形成了粒子物理学标准模型的基础。此后，标准模型的一些预测已经被验证到了不低于小数点后14位的惊人精度，使其成为物理学史上被检验得最精确的理论。温伯格认为，要更深层地理解标准模型为何会采用目前的特定形式，我们在正统物理学的数学原理之外，还需要一条完全不同的原理作为补充。“科学史上的大多数进步都以发现自然奥秘为标志，”他在剑桥的题为“生活在多元宇宙中”的讲座中告诉我们，“但在某些历史转折点，我们做出的发现关乎科学本身，以及我们认为什么样的理论是可以接受的。我们可能正处于这样一个转折点……多元宇宙使人择思路合法化，成为物理理论的新基础。”[22]在这里，温伯格呼吁的世界观呼应了一种二元论。我们有物理法则或元法则，我们正在发现它们，但它们是冰冷的，没有人情味。然而除此之外，我们还有人择原理，它以自己的神秘方式将（元）法则与我们所体验的物理世界联系起来。

但反对的声音也一直很强烈。多年来，人择原理已成为理论物理学中最具争议的问题。有些人对此明确表示反对。宇宙暴胀的发现者之一、普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特宣称：“暴胀理论是在自掘坟墓。”“这就像是自暴自弃。”加州大学的诺贝尔奖得主戴维·格罗斯直言不讳地说。还有人认为，所有关于我们在宇宙中地位的讨论都还为时过早。2019年夏天，另一位富有远见的理论学家尼马·阿尔卡尼–哈默德对一位弦论学家说道：“现在考虑这些问题还太早。”[23]现代科学革命为物理学的二元论埋下了种子，而在时隔5个世纪后，这样的说法着实令人诧异。

令史蒂芬沮丧的是，大多数理论学家保持了沉默，并继续忽视这一问题——他们仍然迷失在数学中。大多数理论物理学家过去认为，现在也依然认为，对宇宙为何如此适于生命居住的深层根源的探究超出了他们的学科范围。他们宁愿相信，当我们发现了支配多元宇宙的弦论主方程以后，这个问题就会以某种方式消失。有一次在DAMTP喝茶时，从不怕挑起纷争的史蒂芬抱怨起了这件事。“我很惊讶，”他说，“这些人（弦论学家）竟会如此眼光狭隘，不去认真探索宇宙是如何以及为什么变成这个样子的。”[24]史蒂芬认为，要阐明大设计的奥秘，仅仅发现抽象的数学元法则是不够的。对他来说，寻找统一的物理学理论与我们的大爆炸起源密不可分。他认为，如果我们认为它“仅仅”是另一个实验室问题，终极理论的梦想是无法实现的，必须将其放在宇宙学演化的背景下研究才可以。在史蒂芬追求宇宙新绘景的过程中，数学只是他的仆人而非主人。因此，霍金同意人择原理支持者的观点，即更好地理解宇宙支持生命的特性很重要，而且在此过程中，单纯的柏拉图主义是不够的，需要范式的转变，需要我们对物理学的理解方式以及对宇宙的研究发生根本性的改变。[25]然而，他也越来越怀疑，人择思路可能不是我们在发展过程中所需要的这一革命性转变。他对人择原理能否作为新宇宙学范式的一部分的主要担忧并不只在于其定性的性质。生物学和其他历史性的科学充斥着更为定性的预测。对他来说真正的问题是，人择思路偏离了预言和证伪这样一个科学的基本过程。

这一过程被奥地利裔英国科学哲学家卡尔·波普尔全面地讨论过。波普尔认为，科学之所以成为获取知识的唯一有效的方法，是因为科学家们在现有证据的基础上，通过理性论证，一次又一次地达成共识。波普尔意识到，科学理论永远无法被证明是正确的，但它可以被证伪，这意味着它可以被实验反驳。但是——这是波普尔的关键点——这种证伪过程要成为可能，前提是我们需要理论上的假设来做出明确的预测，这样如果发现相反的结果，那么理论的至少一个前提就会被证明不适用于自然。这是科学的运转方式的核心所在，因为这种情况是不对称的：确认一个理论预言可以支持但不能证明一个理论，而证伪一个预言即可以证明这个理论是错误的。在科学中，一个假设失败的可能性总是隐隐存在，这也是科学前进的一个必备因素。

但人择原理将这一过程置于一个不牢靠的基础之上，因为人们关于是什么构成适宜生命居住的宇宙的个人标准为物理学注入了一种主观因素，从而损害了波普尔的证伪过程。在多元宇宙中，你的人择观点可能会选择适用这套法则的区域，而我的人择偏好可能会选择适用完全不同的法则的另一片区域。这样一来，我们就没有一个客观的规则来断定哪一个才是正确的了。

这与达尔文进化论大不相同，后者巧妙地避免让任何类似人择推理的东西进入生物学。外星生命不管存在与否，更不管其进化方式如何，在达尔文的理论中都没有起到任何作用。达尔文主义也没有允许我们挑选任何特定的物种在生物学事件中扮演特殊的角色，无论是狮子、智人还是其他物种。恰恰相反，达尔文主义植根于我们与生命世界其他部分之间的关系，并认可所有的互联关系。达尔文的一个重大见解是，智人与生命世界中的其他一切共同进化。他在《人类的由来》中写道：“我认为我们必须承认，即使是具备了所有高贵品质的人……在他的身体中仍然烙着他卑微出身的印记，这印记不可磨灭。”这与卡特在宇宙学中的人择原理有着多么深刻的不同啊，后者运作于宇宙的自然演化之外，仿佛它是个脱离一切的附加物。

从关注证伪的波普尔主义的角度看，人择多元宇宙与17世纪德国博学家戈特弗里德·莱布尼茨的宇宙论几乎没有什么不同。莱布尼茨在他的作品《单子论》中提出，存在无限多的宇宙，每个宇宙都有自己的空间、时间和物质，而由于全善的上帝的选择，我们所生活的世界是所有可能的世界中最好的一个。

因此，科学界发现自身在人择原理的价值这一点上一直存在分歧，这也是完全可以理解的。美国物理学家兼作家李·斯莫林在他批评弦论的精彩著作《物理学的困惑》中曾一针见血地指出：“一旦不可证伪的理论比其可证伪的替代者更受青睐，科学的进程就会停止，知识的进一步增长也不再可能。”这也是史蒂芬在办公室和我第一次谈话时所担心的，人们一旦接受了人择原理，就放弃了科学所拥有的基本的可预测性。

我们已经陷入了一个僵局。人择原理的本意是在浩瀚的宇宙拼图中确定“我们是谁”，并以此作为桥梁，将抽象的多元宇宙理论和我们作为这一宇宙的观察者所获得的经验相连接。然而，它未能在维护科学实践的基本原则的情况下做到这一点，这使得多元宇宙学不具有任何解释能力。

这便带来了一个引人注意的现象：总体上来说，自现代科学革命以来，在探索表观上的大设计——它支撑了整个物理现实世界——的深层根源方面，我们竟然几乎没取得什么进展。诚然，我们现在对宇宙的膨胀历史了解得非常详细，我们了解了引力如何塑造了大尺度宇宙，我们也了解了尺度远小于质子大小的物质的精确量子行为。这种对物理的详细理解，虽说本身具有巨大的意义，但也更凸显了深层的大设计之谜。宇宙为何如此适合生命居住的这个问题持续造成混乱，使科学界和公众都陷入了分裂。在我们对生命世界的理解，以及对使生命成为可能的潜在物理条件的理解中，始终存在着一个深刻的、概念上的分歧。为什么在大爆炸时便已确定的数学定律最后却适合生命生存？我们又应该从这一事实中领悟到什么？生命世界和非生命世界之间的裂痕似乎比以往任何时候都更深。

物理学家说，多元宇宙将一个悖论压在了我们肩上。多元宇宙学的建立基于宇宙暴胀，即宇宙在极早期阶段经历了一次短暂的快速膨胀。一段时间以来，暴胀理论得到了大量的观测支持，但它有一个令人为难的趋势，即它并非产生了一个宇宙，而是产生了许多宇宙。因为它没有说明我们应该在哪一个宇宙里——它缺少这些信息——所以该理论失去了对于我们应该看到什么的预言能力。这是一个悖论。一方面，我们对早期宇宙的最佳理论表明我们生活在一个多元宇宙中。而另一方面，多元宇宙又使这一理论失去了大部分的预言能力。

事实上，这并不是史蒂芬第一次面对这样神秘的悖论。早在1977年，他就明确指出了一个与黑洞命运有关的类似难题。爱因斯坦的广义相对论预言，对于任何落入黑洞的物质，几乎所有关于它的信息都永远隐藏在里面。但史蒂芬发现，量子理论为这一事件增加了一个悖论式的转折。他发现，黑洞表面附近的量子过程会让黑洞辐射出轻微但稳定的粒子流，包括光粒子。这种辐射——现在被称为霍金辐射——太微弱，我们无法探测到，但它的存在本身就会带来问题。[26]因为如果黑洞辐射能量，那么它必然会收缩并最终消失。当黑洞辐射出它最后一盎司的质量后，隐藏在里面的大量信息会怎么样？史蒂芬的计算表明，这些信息将永远丢失。他认为，黑洞就是一个终极垃圾桶。然而，这种情况与量子理论的一个基本原理相矛盾，即物理过程可以转换和扰乱信息，但永远不会不可逆转地抹杀信息。于是我们又得出一个悖论：量子过程导致黑洞辐射并丢失信息，但量子理论认为这是不可能的。

与黑洞的生命周期有关的悖论，以及与我们在多元宇宙中的地位有关的悖论，成了过去几十年中最令人烦恼和争论最激烈的两个物理学难题。它们关乎物理学中信息的本质和命运，因此触及了关于物理理论最终是什么这一问题的核心。这两个悖论都出现在所谓的半经典引力的背景下，这是由史蒂芬和他的剑桥小组在20世纪70年代中期开创的引力理论，它将经典理论和量子思想结合在了一起。当人们将这种半经典思想应用于极长的时间尺度（黑洞的情况）或极远距离（多元宇宙的情况）时，就会出现悖论。这些悖论体现了当我们试图让20世纪物理学的两大支柱——相对论和量子理论——协同运作时所产生的深刻困难。它们在这里就像一些令人费解的思想实验，理论学家们通过这些实验将他们关于引力的半经典思想推到了极致，以了解引力到底在何处以及如何失效。

思想实验一直是史蒂芬的最爱。在放弃哲学之后，史蒂芬仍然喜欢探索一些深层次的哲学问题：如时间是否有开始，因果关系是不是根本，等等，还有最具野心的问题，即我们作为“观察者”如何融入宇宙体系中。他通过将这些问题作为理论物理学中巧妙设计的实验来探索它们。史蒂芬的三个标志性发现都来自精心设置的巧妙的思想实验。第一个是他在经典引力框架下提出的一系列大爆炸奇点定理；第二个是他1974年在半经典引力框架下发现的黑洞辐射；第三个是他关于宇宙起源的无边界设想，也是在半经典引力框架下。

现在，虽然有人可能认为黑洞悖论仅仅具有学术意义——因为霍金辐射的具体细节不太可能被测量到——但多元宇宙悖论则直接影响到我们的宇宙学观测。这一悖论的核心在于现代宇宙学中生命世界和物理宇宙之间的关系令人担忧。霍金想要通过发展对宇宙的完全量子视角来重新认识这一关系，而多元宇宙悖论成了他的灯塔。他的终极宇宙理论是一种彻底的量子理论，它重新描绘了宇宙学的基础，是霍金对物理学的第四大贡献。这个理论背后的宏大思想实验在某种意义上已经进行了5个世纪，而我们即将踏上实现它的旅程。

[1] 勒梅特经常在笔记本的一头写下科学见解，在另一头写下宗教上的反思，并在中间留出几页空白，似乎是为了避免将科学和宗教混在一起。

[2] Fred Hoyle, “The Universe: Past and Present Reflections,”Annual Review of Astronomy and Astrophysics 20 (1982): 1–36.

[3] Steven Weinberg, “Anthropic Bound on the Cosmological Constant,” Physical Review Letters 59 (1987): 2607.

[4] 这个故事讲的是，金发姑娘来到三只熊的家里，她先看到三碗粥，第一碗太烫了，第二碗太凉了，第三碗的温度刚刚好。然后她又看到三张床，第一张太硬了，第二张太软了，第三张的硬度刚刚好。后来，“金发姑娘”就被用来指程度刚刚好。——编者注

[5] Paul Davies, The Goldilocks Enigma: Why Is the Universe Just Right for Life?(London: Allen Lane, 2006), 3.

[6] 这个片段是通过西里西亚的辛普利修斯传给我们的，他在他对亚里士多德《物理学》的评论中引用了它。

[7] Galileo Galilei, Il Saggiatore (Rome: Appresso Giacomo Mascardi, 1623).

[8] 此话出自弗朗索瓦·阿拉戈。

[9] 保罗·狄拉克，引自Graham Farmelo, The Strangest Man: The Hidden Life of Paul Dirac, Mystic of the Atom (New York: Basic Books, 2009), 435.

[10] William Paley, Natural Theology; or, Evidences of the Existence and Attributes of the Deity, Collected from the Appearances of Nature (London: Printed for R.Faulder, 1802).

[11] 引自《物种起源》，达尔文著，苗德岁译，译林出版社（2013）。——编者注

[12] Charles Darwin, On the Origin of Species, manuscript, 1859.

[13] 涌现（emerge），又译突现、呈展或演生，指系统内各组分相互作用而产生单个组分所没有的性质与特点的现象。——编者注

[14] Stephen Jay Gould, Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History (New York: Norton, 1989).

[15] 1英里约为1.6千米。——编者注

[16] 查尔斯·达尔文，引自Charles Henshaw Ward, Charles Darwin: The Man and His Warfare (Indianapolis: Bobbs-Merrill, 1927), 297。

[17] Leonard Susskind, The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design (New York: Little, Brown, 2006).

[18] 具体来说，按照开普勒的设想，从太阳开始往外，依次是水星球面、正八面体、金星球面、正二十面体、地球球面、正十二面体、火星球面、正四面体、木星球面、立方体，最后是土星球面。

[19] 不管人择原理这个名字意味着什么，卡特抑或其他人都不会认为它仅仅适用于人类。它关注的是更普遍的生存条件。关于这一想法的详细综述见John Barrow and Frank Tipler, The Anthropic Cosmological Principle(Oxford: Oxford University Press, 1986)。

[20] 选择偏倚指被选择到研究样本中的对象同未进入样本中的对象之间存在着特征上的差异，从而影响研究结果代表性的现象。——译者注

[21] Andrei Linde, “Universe, Life, Consciousness” (lecture, Physics and Cosmology Group of the“Science and Spiritual Quest”program of the Center for Theology and the Natural Sciences [CTNS], Berkeley, Calif., 1998).

[22] 史蒂文·温伯格，Living in the Multiverse，2005年9月在剑桥大学三一学院举行的“终极理论之期”研讨会上的演讲，并发表于Universe or Multiverse?, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007)。

[23] Nima Arkani-Hamed, “Prospects for Contact of String Theory with Experiments” (lecture, Strings 2019, Flagey, Brussels, July 9–13, 2019).

[24] 霍金在他的演讲“自上而下的宇宙学”中重复了这一点（lecture, Davis Meeting on Cosmic Inflation, University of California, Davis, March 22–25,2003）。

[25] 美国科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》一书中解释说，当现有科学运作所依托的主要范式与新的现象无法相容时，就会出现范式的转变。人们可能会想知道，在21世纪初出现，让人们呼吁宇宙学变革的“新现象”到底是什么。我相信，其中主要是20世纪90年代末天文学观测到的加速膨胀现象。这些观测与弦论中的新理论思想相结合，印证了物理定律适宜生命存在的巧合性。

[26] 20世纪70年代中期，霍金与他的学生伯纳德·卡尔合作，推测紧跟在热大爆炸后，可能有小黑洞存在。这种原初黑洞将会更热，辐射速度也会更快。事实上，那些大约1015 克的黑洞——就好比把一座山的质量集中在一个质子的大小上——的数量会在当前的宇宙中激增。令史蒂芬非常失望的是，人们还没有探测到这样的增长。