什麼是「好」的科學理論#

要討論宇宙是否有起點或終點，必須先弄清楚：什麼叫做「科學理論」？

採取最樸素的說法：理論就是一個關於宇宙（或宇宙某一部分）的模型，加上一組規則，把模型中的量與我們的觀測連結起來。它只存在於我們的心智中，沒有別的「實在性」可言。

一個好的理論需要滿足兩個條件：

1. 以包含少數任意元素的模型，準確描述大量觀測
2. 對未來的觀測提出明確的預測

對比兩個歷史例子：

• 恩培多克勒（Empedocles）的四元素說：亞里斯多德相信萬物由土、氣、火、水所組成。模型夠簡單，但不做任何明確預測
• 牛頓的萬有引力：模型更簡單——兩個物體之間的引力與質量成正比，與距離平方成反比。它能高度精確地預測太陽、月亮與行星的運動

證明 vs. 反證：理論永遠是暫時的#

任何物理理論都是暫時性的——它只是個假說，永遠無法被證明。

不論實驗多少次符合理論，下一次仍可能出現反例。但只要找到一個與預測不符的觀測，就能推翻理論。

科學哲學家波普（Karl Popper）強調：

• 一個好的理論，必須做出原則上能被觀測反駁的預測
• 每次新實驗符合預測，理論存活，信心增加
• 一旦觀測不符，就必須放棄或修改理論

當然在實務上，你也可以質疑做觀測那個人的能力。

新理論常常是舊理論的延伸#

新理論並不總是徹底推翻舊理論，而往往是擴充：

• 水星軌道的精密觀測顯示其運動與牛頓引力預測有微小差距
• 愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論預測略微不同的運動，且與觀測吻合——這成了新理論的關鍵驗證之一
• 但在大多數實際情況下，我們仍使用牛頓理論：兩者預測差距極小，且牛頓理論用起來簡單得多

科學的兩個分工：演化規則與初始條件#

科學的終極目標是給出描述整個宇宙的單一理論，但實際做法是把問題分成兩部分：

1. 演化規則：宇宙隨時間如何變化的定律——知道某時刻的宇宙樣貌，就能推得任意時刻的樣貌
2. 初始狀態：宇宙最初是什麼樣子

有人認為科學只該關心第一部分，把初始狀態留給形上學或宗教。但既然宇宙演化遵循規律的定律，那麼推測初始狀態也由定律支配，似乎同樣合理。

部分理論與整體理論#

設計一個一次描述整個宇宙的理論非常困難，因此我們把問題切成許多部分理論（partial theories）：

• 每個部分理論只描述某一類有限的觀測
• 忽略其他效應，或用簡單數字代替
• 若宇宙萬物之間相互依存，這種「分而治之」的做法或許從根本上行不通——但目前我們確實是這樣前進的

牛頓引力是經典範例：兩物體間的引力只取決於各自的質量，與物體由什麼構成無關。因此計算太陽與行星的軌道，不需要先有太陽與行星構造的理論。

二十世紀的兩根支柱#

今天，科學家用兩個基本的部分理論描述宇宙：

這兩個理論彼此不相容——不可能同時都正確。

找到一個能同時涵蓋兩者的新理論——量子重力（quantum theory of gravity）——是當代物理的核心任務，也是本書的主軸。我們還沒有這樣的理論，但已知道它必須具備的許多性質。

統一理論的弔詭#

如果宇宙真由確定的定律支配，最終必然要把所有部分理論統合為完整的統一理論。但這裡有個根本的弔詭：

• 上面討論假定我們是理性存在，能自由觀察宇宙、做出邏輯推論
• 然而若真有一個完整的統一理論，它也會決定我們的行為
• 那麼這個理論本身也決定了我們尋找它的結果——它為什麼必定讓我們得出正確的結論，而不是錯誤的、甚至沒有結論？

對這個問題，目前唯一的答案來自達爾文（Charles Darwin）的天擇原理：

• 在能自我繁衍的群體中，個體會有遺傳與成長環境的差異
• 那些更能正確判斷世界的個體更容易生存與繁衍
• 過去「智力與科學發現」確實帶來生存優勢
• 因此天擇給我們的推理能力，在尋找統一理論時應當也仍然有效——不至於系統性地把我們導向錯誤結論

至於「未來這條件是否仍成立」就不那麼確定——科學發現很可能毀滅我們所有人，而即便不會，統一理論對生存大概也沒太大幫助。

為何仍要追尋#

既然現有的部分理論在絕大多數情況都已足夠，從實用角度很難為「終極理論」辯護。

但自文明發軔以來，人類就不甘於將事件視為彼此無關、無從解釋。我們渴望理解世界背後的秩序，至今仍想知道我們為何在此、從何而來。

這份對知識最深的渴求，就是繼續追尋的充分理由——而我們的目標，無非是對所處宇宙的完整描述。