依賴模型的現(xiàn)實(shí)主義解決或至少避免的另一個(gè)問題是存在的意義。如果我走出房間而看不見桌子，我何以得知那桌子仍然存在呢？那麼說我們看不見的東西，諸如電子或據(jù)說是構(gòu)成質(zhì)子和中子的叫夸克的粒子存在是什麼意思呢？人們可以擁有模型，在該模型中，當(dāng)我離開時(shí)桌子消失了，而當(dāng)我返回時(shí)，桌子又在同一位置出現(xiàn)了，然而那會(huì)是笨拙的。而如果我在外面時(shí)發(fā)生了某些事情，比如講天花板落下怎麼辦呢？在我離開房間時(shí)桌子消失的模型下，我能夠解釋下回我進(jìn)入時(shí)在天花板碎片之下?lián)p毀的桌子重現(xiàn)的事實(shí)嗎？桌子留在原地不動(dòng)的模型簡單得多，並與觀測相符。那就是人們能問的一切。

在我們看不見的次原子粒子的情形下，電子是一個(gè)有用的模型，它能解釋象在一個(gè)雲(yún)霧室中的軌跡和電視顯像管上的光點(diǎn)，還有許多其它現(xiàn)象。據(jù)說1897年英國物理學(xué)家J·湯姆遜在劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了電子。他是利用在真空玻璃管中的電流來做稱爲(wèi)陰極射線現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)裡，他獲得一個(gè)大膽的結(jié)論，神秘的射線由微小的“微粒”構(gòu)成，這種微粒是原子的物質(zhì)部分，那時(shí)原子被認(rèn)爲(wèi)是物質(zhì)的不可分的基元。湯姆遜沒有看到“電子”，他的實(shí)驗(yàn)也沒有直接或清晰地證明他的預(yù)測。但在從基礎(chǔ)科學(xué)到工程的應(yīng)用中這個(gè)模型證明是關(guān)鍵的，而現(xiàn)在所有的物理學(xué)家都確信電子存在，即便看不到它。

我們也看不見夸克，它是解釋原子核中的質(zhì)子和中子性質(zhì)的一個(gè)模型。雖然說夸克構(gòu)成質(zhì)子和中子，因夸克之間的束縛力隨著分離而增大，因此孤立的自由夸克不可能在自然中存在，所以我們永遠(yuǎn)觀察不到夸克。相反地，它們永遠(yuǎn)以三個(gè)一組(質(zhì)子和中子)或者以夸克反夸克對(π介子)存在，而且它們正像由橡皮帶連接在一起似的。

自誇克模型首次提出之後的年代裡，人們一直在爭議，如果你永遠(yuǎn)不能分離出一個(gè)夸克，說夸克真的存在是否有意義的問題。一些次次核粒子的不同結(jié)合構(gòu)成了某些粒子的思想提供了一種編組原理，由此對其性質(zhì)給予簡單而吸引人的解釋。但是，儘管物理學(xué)家已習(xí)慣於接受那些粒子，它們也只從有關(guān)其它粒子散射的數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)的短促嘩嘩聲中推斷其存在。對許多科學(xué)家而言，將實(shí)在性賦予一個(gè)在原則上也許不能被觀測到的粒子是太過分了。然而，這麼多年來，隨著夸克模型導(dǎo)出愈加正確的預(yù)言，反對的聲音也隨之消退。某種擁有十七隻手臂，紅外眼以及習(xí)慣從耳朵吹出濃縮奶油的外星生物會(huì)進(jìn)行與我們相同的實(shí)驗(yàn)觀察，但不用夸克描述之，這是完全可能的。儘管如此，根據(jù)依賴模型的現(xiàn)實(shí)主義，夸克存在於一個(gè)和我們對次核子粒子如何行爲(wèi)的觀察一致的模型中。

依賴模型的現(xiàn)實(shí)主義能夠爲(wèi)討論諸如以下問題提供框架：如果世界是在有限的過去創(chuàng)生的，那麼在那之前發(fā)生了什麼？一位早期的基督教哲學(xué)家聖·奧古斯丁(354—430)說，其答案不是上帝正爲(wèi)問此類問題的人們準(zhǔn)備地獄，而是時(shí)間是上帝創(chuàng)造的世界的一個(gè)性質(zhì)，時(shí)間在創(chuàng)生之前不存在，他還相信創(chuàng)生髮生於過去不那麼久的時(shí)刻。這是一個(gè)可能的模型。儘管在世界上存在化石和其它證據(jù)使之顯得古老的多，(它們被放在那裡是用來愚弄我們的嗎？)那些堅(jiān)持創(chuàng)世紀(jì)中的敘述確實(shí)是真的人很喜歡這個(gè)模型。人們還能擁有一個(gè)不同的模型，在這模型中時(shí)間往回延續(xù)137億年到達(dá)大爆炸。該模型解釋了包括歷史和地學(xué)的證據(jù)在內(nèi)的大部分我們的現(xiàn)代觀測，它是我們擁有的對過去的最好描繪。第二種模型能解釋化石和放射性記錄，以及我們接受來自距離我們幾百萬光年的星系來的光的事實(shí)。因此，這個(gè)模型——大爆炸理論——比第一個(gè)更有用。儘管如此，沒有一個(gè)模型可以說比另一個(gè)更真實(shí)。

有些人支持時(shí)間能回到甚至比大爆炸還早的模型。目前還不清楚其中時(shí)間延續(xù)回到比大爆炸還早的模型是否能更好地解釋現(xiàn)代的觀測，因爲(wèi)宇宙演化的定律似乎在大爆炸處崩潰。如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象，那麼去創(chuàng)造一個(gè)包含早於大爆炸的時(shí)間的模型就沒有意義，因爲(wèi)那時(shí)存在的東西對於現(xiàn)在沒有可觀測的後果，如此我們也可以堅(jiān)持大爆炸是世界的創(chuàng)生的觀念。

一個(gè)模型是個(gè)好模型，如果

1.它是優(yōu)雅的。

2.它包含很少任意或者可調(diào)整的元素。

3.它和全部已有的觀測一致並能解釋。

4.它對將來的觀測做詳細(xì)的預(yù)言，如果這些預(yù)言不成立，觀測就能證僞這個(gè)模型。

例如，在亞里士多德的理論中，世界由土，氣，火和水四種元素構(gòu)成，而且物體是爲(wèi)了滿足它們的目的而行爲(wèi)，這個(gè)理論是優(yōu)雅的，並不包含可調(diào)節(jié)的元素。但在許多情形下，它並未做出確定的預(yù)言，而當(dāng)它預(yù)言時(shí)，又並不總與觀測一致。這些預(yù)言中的一個(gè)是，因爲(wèi)物體的目的是下落，因此較重的物體應(yīng)下落得較快。在伽利略之前似乎沒人想到過去驗(yàn)證這個(gè)預(yù)言。傳說他從比薩斜塔上釋放重物來檢驗(yàn)它。這故事可能是僞造的，但我們確知，他把不同的重物從一斜面上滾下，並且觀察到它們都以同樣速率獲得速度，這與亞里士多德的預(yù)言矛盾。

上面的標(biāo)準(zhǔn)顯然是主觀的。例如，優(yōu)雅就不是容易測量的某種東西，但科學(xué)家們非常珍視它，因爲(wèi)自然定律是意味著把許多特殊情況經(jīng)濟(jì)地壓縮成一個(gè)簡單公式。優(yōu)雅是指理論的形式，但它與缺少可調(diào)整元素緊密相關(guān)，由於一個(gè)充滿了修補(bǔ)的因素的理論不很優(yōu)雅。轉(zhuǎn)述愛因斯坦的話，一個(gè)理論應(yīng)該儘可能簡單，但不能更簡單了。托勒密把週轉(zhuǎn)圓加到週轉(zhuǎn)圓上，或者甚至在其上再加週轉(zhuǎn)圓。雖然增加的複雜性可使模型更精確，可科學(xué)家不滿意一個(gè)被扭曲去迎合特有的一組觀測的模型，他們傾向於把它看成數(shù)據(jù)表，而非一個(gè)可能體現(xiàn)任何有用原理的理論。

在第五章裡，我們將要看到，許多人認(rèn)爲(wèi)描寫自然的基本粒子相互作用的“標(biāo)準(zhǔn)模型”不優(yōu)雅。那個(gè)模型比托勒密的週轉(zhuǎn)圓成功得多。它在幾個(gè)新粒子被觀測到之前就預(yù)言其存在了，並於幾十年間以巨大的精確性描述了極多實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。但它包含了幾十個(gè)可調(diào)節(jié)的參數(shù)，其數(shù)值必須爲(wèi)了配合觀測而被固定下來，而不是由理論本身所確定的。

關(guān)於第四點(diǎn)，當(dāng)新的令人震驚的預(yù)言被證明正確時(shí)，總給科學(xué)家留下深刻印象。另一方面，當(dāng)一個(gè)模型發(fā)現(xiàn)做不到這一點(diǎn)，一種普遍反應(yīng)是說實(shí)驗(yàn)錯(cuò)了。如果證明不是那種情形，人們經(jīng)常仍然不拋棄這個(gè)模型，而試圖通過修正來挽救它。儘管物理學(xué)家執(zhí)著地努力拯救他們讚美的理論，隨著改動(dòng)變得做作而且繁瑣，理論因此而變得“不優(yōu)雅”，人們修正理論的熱情也就消退了。

如果容納新的觀測所需的修正過分雕琢，這就標(biāo)誌需要新模型。穩(wěn)態(tài)宇宙的觀念是老模型迫於新觀測而撤退的一個(gè)例子。1920年代，多數(shù)科學(xué)家相信宇宙是靜止的，或者在尺度上不變。後來埃德溫·哈勃於1929年發(fā)表了他的觀測，顯示宇宙正在膨脹。哈勃觀察到由星系發(fā)射出的光，但並未直接觀察到宇宙在膨脹。那些光攜帶特徵記號(hào)，或曰基於每個(gè)星系成分的光譜。如果星系相對於我們運(yùn)動(dòng)，光譜就會(huì)改變一個(gè)已知的量。因此，哈勃由分析遠(yuǎn)處星系的光譜能夠確定它們的速度。他原先預(yù)料會(huì)找到離開我們運(yùn)動(dòng)的星系數(shù)目與靠近我們運(yùn)動(dòng)的星系一樣多。相反地，他發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都離開我們運(yùn)動(dòng)，而且處在越遠(yuǎn)的地方，它們就越快地運(yùn)動(dòng)。哈勃得出結(jié)論，宇宙正在膨脹。但其他人堅(jiān)持早先的模型，試圖在穩(wěn)態(tài)宇宙的框架中解釋他的觀測。例如，加州理工學(xué)院的物理學(xué)家弗裡茨·茲威基建議，也許因某些還未知的原因當(dāng)光線穿越巨大距離時(shí)慢慢地?fù)p失能量。這種能量減小會(huì)對應(yīng)於光譜的改變。茲威基提議的這種改變能夠模擬哈勃的觀測。在哈勃之後的幾十年間，許多科學(xué)家繼續(xù)堅(jiān)持穩(wěn)態(tài)理論，但最自然的模型是哈勃的膨脹宇宙模型，而它已被接受。

在尋求制約宇宙的定律的探索之際，我們表述了許多理論或模型，諸如四元素理論，托勒密模型，熱素理論，大爆炸模型等。我們的實(shí)在和宇宙的基本成分的概念伴隨著每個(gè)理論或模型而改變。例如，考慮光的理論。牛頓認(rèn)爲(wèi)光是由小粒子或微粒構(gòu)成。這就解釋了爲(wèi)什麼光會(huì)沿直線旅行，而且牛頓利用它來解釋當(dāng)光從一個(gè)媒質(zhì)進(jìn)入另一個(gè)媒質(zhì)時(shí)，比如從空氣進(jìn)入玻璃或者從空氣進(jìn)入水時(shí)，它爲(wèi)什麼彎折或折射。

然而，微粒論不能用來解釋牛頓自己觀察到的稱作牛頓環(huán)的現(xiàn)象。把一個(gè)透鏡置於一面平坦的反射板上，並用單色光諸如鈉光對其照射。從上往下看，人們將看到一系列明暗相間的圓環(huán)，它們以透鏡和表面接觸點(diǎn)爲(wèi)圓心。用光的粒子論來解釋這個(gè)現(xiàn)象很困難，但在波動(dòng)論中就能得到解釋。根據(jù)光的波動(dòng)論，那被稱作干涉的現(xiàn)象導(dǎo)致亮環(huán)和暗環(huán)。一個(gè)波，比如水波，是由一系列波峰和波谷組成。當(dāng)波碰撞時(shí)，如果那些波峰和波谷剛好分別一致，它們就互相加強(qiáng)，獲得更大的波。這稱爲(wèi)建設(shè)性干涉。在這種情形下，波被稱爲(wèi)處於“同相”。在另一種極端，當(dāng)波相遇時(shí)，一個(gè)波的波峰可能剛好與另一個(gè)波的波谷重合。在那種情形下，波相互對消，被稱爲(wèi)處於“反相”。這種情形稱爲(wèi)破壞性干涉。

在牛頓環(huán)中，亮環(huán)位於離開中心的距離爲(wèi)該處透鏡和反射板之間的分離使得從透鏡反射的波和板上反射的波相差整數(shù)(1，2，3，……)倍的波長，產(chǎn)生了建設(shè)性干涉。(波長是一個(gè)波的波峰或波谷和下一個(gè)之間的距離)。另一方面，暗環(huán)位於離開中心的距離爲(wèi)該處的兩個(gè)反射波之間相差半整數(shù)(1/2，3/2，5/2，……)倍的波長，引起破壞性干涉——從透鏡反射的波抵消了從平板反射回來的波。

在十九世紀(jì)，這個(gè)被用來確認(rèn)光的波動(dòng)論，還證明了粒子論是錯(cuò)誤的。然而，在二十世紀(jì)早期，愛因斯坦證明，用光粒子或量子打到原子上並打出電子可解釋光電效應(yīng)(現(xiàn)在用於電視和數(shù)碼相機(jī)中)。這樣，光既作爲(wèi)粒子又作爲(wèi)波來行爲(wèi)。

波的概念深入人心，或許是因爲(wèi)人們見過海洋，或者見過把一塊小圓石扔進(jìn)後的小池塘。事實(shí)上，如果你曾將兩塊小圓石扔進(jìn)小池，你也許看到了干涉作用，正如在前面圖畫中那樣。其它的**也能觀察到類似的行爲(wèi)，也許除了酒以外，如果你喝得太多的話。從巖石，圓石和沙就很熟悉粒子的概念了。但這種波/粒對偶性——一個(gè)物體既可描述成粒子也可描述成波的思想——對於日常經(jīng)驗(yàn)而言,卻猶如你能喝下一塊沙巖的想法那麼怪異。

類似這樣的對偶性——兩個(gè)非常不同的理論精確地描述了同樣的現(xiàn)象的情形——和依賴模型的現(xiàn)實(shí)主義相一致。每個(gè)理論能描述並解釋某些性質(zhì)，而沒有一個(gè)理論能說比其它的更好或更真實(shí)。考慮制約宇宙的定律，我們所能說的是：似乎不存在一個(gè)單獨(dú)的數(shù)學(xué)模型或理論能夠描述宇宙的方方面面。相反地，正如開篇提到，似乎存在一個(gè)稱作M理論的理論網(wǎng)絡(luò)。在M理論網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)理論都能很好地描述在一定範(fàn)圍的現(xiàn)象。只要在其範(fàn)圍交疊之處，在網(wǎng)絡(luò)中的不同理論都一致，這樣它們都能被稱作同樣理論的部分。但在這網(wǎng)絡(luò)中沒有一個(gè)單獨(dú)的理論可能描述宇宙的各個(gè)方面——自然的所有的力，感受到那些力的粒子，以及這一切在其中發(fā)生的空間和時(shí)間框架。儘管這種情形未實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)物理學(xué)家的單獨(dú)統(tǒng)一理論之夢，然而在依賴模型的現(xiàn)實(shí)主義的框架中是可被接受的。

我們將在第五章進(jìn)一步討論對偶性和M理論，但在這之前，我們將轉(zhuǎn)向量子論，它是作爲(wèi)我們現(xiàn)代自然觀基礎(chǔ)的基本原理。我們特別要關(guān)注稱作不同歷史的量子論方法。按照那種觀點(diǎn)，宇宙不僅具有單獨(dú)的存在或歷史，而是每種可能的宇宙版本在稱作量子疊加之中同時(shí)存在。這聽起來就象只要你離開房間桌子就會(huì)消失的理論般的瘋狂，然而在此情形下，該理論通過了它所經(jīng)受的所有實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。