「如果宇宙運行的道理，可以濃縮成一句話，印在T恤上，那會是什麼呢？」這本科普深入簡出地介紹了物理的發展，特別關注在「找尋一個可以解釋所有事物的理論應該要長得什麼樣子」的這段科學史上面。加上前些日子，群組裡頭很熱烈地討論物理，重新點燃了我的科普興趣，所以就開啟了我近日瘋狂閱讀科普的日子。熟悉物理的人或許早就知道牛頓力學裡的三大定律、愛因斯坦狹義相對論裡的質能公式，又或著是薛丁格的量子方程式、海森堡測不準原理等，這些透過艱澀的數學工具來表徵關於世界的模樣，通通都在這本書裡面被作者用簡單直白的文字給取代。作者佛克在這本書之前寫過另一本也很著名的科普，叫做《探索時間之謎》，我記得好幾年前粗略翻過，但是內容沒有很對我胃口，所以這算是我第一次認真閱讀他的科普作品。
書的前言一開始就談到科學家工作時很重要的工作假設，那就是奧坎剃刀原則——如無必要，切勿增加實體——意思是說，我們在建構理論的時候必須考慮一個理論是否夠簡約、是否作出最少的假設，但仍然保持解釋的效力。這條工作假設，基本上為大多數的科學家們所接受並實踐，從古希臘到中世紀，從近代再到當代，物理學家都試圖利用這條原則來找尋宇宙萬物之間那最為優雅，也最為簡約的模型來解釋所有的現象。而這段追尋物理界的聖杯——萬有理論——就從古希臘開始談起，特別是那些作者稱為自然主義者的古希臘哲學家們開始。
雖然古希臘文化散落在愛琴海的各處，但是多神信仰（特別是人格神）一直是傳統希臘的信仰核心。可是古希臘哲學家們，特別是那些亞里斯多德之前的自然主義哲學家們，對於世界背後的生成模式還有運行的規律都保有極大的興趣，所以我們可以看到形形色色的自然理論來解釋世界的構成，例如把水、空氣等（甚至是統合它們而成為四元素）自然物質視為是世界的本源來解釋世界是如何成形的。但或許最要的成就是來自於古希臘的原子論者，他們主張世界是由那些我們看不見也感覺不到的原子所構成，這些原子形狀各異，而且是原則上無法再被切割的最小單位，不同的排列也會產生不同的事物。不難看出，自然主義者（包括原子論者）都試圖用一些基本的東西來解釋這個宇宙的規律。事情發展到了亞里斯多德，則更進一步把這個動態的大千世界導向一個以終極原因（他稱為「目的」）來解釋萬物的表面下的秩序。這是一次聖杯追尋之旅的高峰，但也馬上因為亞里斯多德的集大成而走入了將近一千年的停滯黑暗期。
一個亞里斯多德解釋下的宇宙，所有宇宙內的事物其運動跟生成都有解釋。這符合了我們對於萬有理論的要求，此外這個解釋也符合了奧坎剃刀原則，因為在亞里斯多德那邊，「神」作為最終極的原因解釋了這個大千世界裡萬物的運動跟變化；特別是亞里斯多德在宇宙論上，把地球看成是宇宙的中心，所有星體都圍繞著地球做規律且均速的圓形運動，這開啟了托勒密的「地心說」作為主宰整個西方科學界超過一千年的理論。這裡除了涉及古希臘後期跟羅馬時代對於自然研究的式微這類文化因素之外，還包含了基督教會通盤接受亞里斯多德的哲學作為教會的打手的這種宗教因素。在此，我無法三言兩語交代完；但值得注意的是，從哥白尼開始的十六世紀，情況開始發生變化。首先是天文學家發現許多地心說無法解釋的行星觀測現象，例如逆行運動、星體的運動有時忽快忽慢，而有時又忽明忽暗。這些現象是地心說很難以解釋的現象，所以哥白尼之後才大膽地提出「日心說」來消解這類困難。這種迥異於亞里斯多德主義的思想在當時的教會眼裡無異是異端，除了有天文學家因此遭到火刑處決外，連出版都受到查禁，思想也受到審查。好在透過第谷、克普勒、伽利略等人的努力，教會最後改變了觀點。（btw，我很喜歡這兩章（Ch2-3）在解釋日心說如何排除萬難，然後被一代又一代的科學家們努力修改並驗證。作者除了描述理論的發展之外，也同時側寫這些科學家的工作態度跟當時他們所面離的困難跟打壓。）
在這場日心說的勝利中，除了哥白尼的創舉、第谷的觀察跟克普勒的修正之外，最重要的是伽利略，除了他那著名的物體掉落速度與重量無關的思想實驗之外，他認為宇宙就是一本自然之書，而且上頭描述宇宙的語言就是數學，因此為了能一窺宇宙的奧秘，非得先搞懂數學這個語言才行（這巧妙地呼應了柏拉圖在他的補習班外面掛著「不懂幾何者，不得入內」的文案），所以科學一直發展到伽利略為止，大家都還是想要透過一個統一的模式來解釋萬物。至少在伽利略裡頭，我們看到了這個統一的模式必須是用數學來表達的，至於這本自然之書寫些什麼，則要看後續的發展。而牛頓無疑是這場聖杯之旅的的第二次高峰。除了站在巨人們的肩膀上外，透過研究伽利略力學跟克普勒的三大行星運動定律，他創建了自己的力學跟萬有引力定律，並按照伽利略的吩咐：把它們透過精確的數學語言表達出來。
可是牛頓所處的時代是一個機械論為主流的時代，而機械論者宣稱物體之間運動完全可以透過機械的原理——也就是力學——來解釋，物體所展現的各種現象也歸因於物體運動的結果（別忘了奧坎剃刀原則，有了牛頓力學，我們為什麼還需要其他東西呢？）。雖然經由運算跟這些運動的方程式，我們可以精準預測物體移動的路徑、運動的方向，以及物體所承受的力的大小，可是有些現象很難用牛頓的力學來處理，例如電的現象跟磁性，因而開啟了西方物理透過大大小小的實驗來研究電跟磁的現象，最後在馬克士威的手上集大成。在馬克士威看來，牛頓除了他的機械論世界觀難以解釋電跟磁的作用之外，牛頓對於光的假設——光粒子說——也是有解釋上的破綻的。首先是在各種關於電磁的實驗中發現，我們需要一種類似「場」的概念來描述電磁現象，，畢竟電磁實驗告訴我們，越靠近電荷的場中心其磁力越強，雖然這也符合牛頓平方反比定律，可是利用「場」的概念卻讓物理學家減少了不少繁複的計算，而且讓理論更為簡單。再來是關於牛頓假設光是微粒，然而牛頓之後的光學研究發現光會互相干涉，就像水波那樣，因而有物理學家開始假設光的運動比較像是波。馬克士威發現他的電磁理論也需要一種類似波的運動方式，更意外的是，度量的結果發現電磁波的運動速度幾乎和光一樣快。最後馬克士威終於完成了他的馬克士威電磁方程組，也因而幫愛因斯坦的相對論鋪好了理論的基礎。
這場聖杯之旅緩緩來到了當代，我們看到有像愛因斯坦這種幾乎是獨立構造的相對論，也可以看到一群物理學家透過幾十年而形成的量子理論。當然這些理論的誕生前都有一些插曲，不論直接或間接相關，或甚至是獨立各自發展。像是相對論發表之前，我們知道馬克士威的電磁理論預測光速是有一個固定的速率，然而伽利略的相對性原理告訴我們物理定律在所有的慣性參考系統裡都具有相同的形式，對於運動的描述是相對於一個慣性參考系下的觀測而言的，如果光速是固定的，那麼是根據哪一個慣性參考系下光速是固定的呢？而後就有邁克森-莫雷的以太風實驗來測光速，只不過最後以失敗告終。而至於量子力學這邊，則發揮了古希臘原子論的精神；首先有湯姆森發現原子可以再繼續分割成帶正負電荷的粒子，然後提出了「梅子布丁原子模型」，而他的學生拉塞福則透過實驗把他老師的模型修正成「行星原子模型」。可是電子是如何在不流失能量的情形下繞著原子核運動則是拉塞福的模型無法解釋的。之後普朗克才引入「量子」的概念來解決這個問題。
關於相對論跟量子力學這兩個當代最重要的物理領域，依序出現在本書的Ch5-6兩章。雖然透過作者的白話文，可以看到理論發展的歷史，可是在解釋一些重要概念時卻好像漏講了許多關鍵，以至於讀起來有點搔不到癢處。例如相對論那章花了將近一半的篇幅談愛因斯坦的風格跟成就，雖然理論介紹的很淺顯，可是大部分的內容之前在群組的討論裡也都或多或少出現過，所以就不特別整理了。而量子物理那章，雖然除了原子模型有提到之外，還提到德布羅的波粒二重性、普朗克常數、哥本哈根詮釋、薛丁格的貓、海森堡測不準原理、多世界量子詮釋等重要觀念，可是也都是停留在點到為止的份量上。對此，我就不整理讀書心得了，留待以後讀到更豐富的書時，再做心得介紹。
接著量子理論後，作者談到當代的弦論發展，也就是終於在漫長的19、20世紀初結束了紛擾的物理之戰後，看到了一絲聖杯再現的曙光。基本上相對論是處理宏觀物體的運動，而量子理論是處理微觀物體的運動，物理學家好奇我們有沒有可能統合這兩者以達到萬有理論的原型（當然，我這邊省略了很多很精確說明，像是電弱理論、電子色動力學、夸克、現存的標準粒子模型...等的介紹。但是礙於學識以及我個人所感興趣的問題上來說，恕我捨棄這部分的心得）？透過更新穎的原子加速器，物理學家發現構成物質最基本的圖片，似乎是一次元類似環狀的弦，而不是標準粒子模型裡的任何一種粒子。為什麼這個發現重要呢？因為當物理學家用數學去描述這個環狀弦，發現弦論本質上是一種量子理論，可是其重力的描述也能產生廣義相對論的方程式。這無疑讓物理學家感到精神振奮，並認為這就是他們所苦苦找尋的聖杯。雖然批評弦論的人不在少數，包含早期的霍金，可是許多關於這幾十年來對於黑洞的研究似乎跟弦論配合得很好，導致於大家信心大增，努力研究弦論背後的數學。可是這也招來了其他對於弦論的批評，特別是弦論看起來比較像是數學，而不是我們企圖做實驗、觀測，甚至預測的物理。比如弦論的研究上，其背後的數學必須設定一些隱藏的維度，比如加來道雄的那本有名的科普書名就是這樣命名的——超空間。能不能想像是一回事，數學上有需要這樣設定則是另一回事。
在弦論這章比較讓我感到興趣的，是其中一個叫<方程式中的美麗>這個小節。作者反思了弦論的發展，帶動了整個背後的數學計算是何其複雜，但卻又是必要的簡單。尤其我們回顧物理史時，當一個物理理論其背後的數學美麗的令人動容，我們常常卻又深陷在數學的美麗，來點綴我們對於世界的理解。更別提Brian Green那本有名的弦論科普書《優雅的宇宙》就是在宣示著對弦論的期望，係來自於其背後優雅的數學。因而，一個理論有沒有用，多少是奠基在方程式美不美上面。我想這也是為什麼科學假從古到今都信奉著奧坎剃刀的原因，一個簡約優雅的解釋絕對是理論選擇的第一原則。而至於那些長得太醜的理論，嗯，它們長得就不太像是真的...此外，如果真的有一個萬有理論，它除了要夠簡單到濃縮在你T恤的正面上之外，它的圖案也必須美麗優雅。
Ch8是主要談科學跟哲學，特別是這趟聖杯之旅的意義何在。首先作者提到了化約論跟整體論的區別；化約論宣稱如果能了解整體事物的各個部分，那就相當於了解了整體；相反地，整體論宣稱整體大過部分的總和。其實我覺得這裡作者所要談的東西跟他給出的這兩個標籤實在是很誤導。我在猜他本來要談的應該是科學解釋在形上學裡的兩個解釋方向，一個是bottom-up，一個是top-down，前者是化約論，而後者是整體論。可是作者給出的說明比較像是一個成功的科學解釋究竟長什麼樣子，然後他的立場是傾向於較折衷，也就是有時候在一些領域跟現象是化約論，有時候則是整體論。可是這件事跟解釋的方向無關，反而跟成功的解釋有關，那麼這兩張標籤作用就不大，反而應該要跟深入討論形成一個成功的科學解釋其條件是甚麼才比較好。
接下來作者談模型與現實的關係，特別是T恤上的的萬有理論的方程式（如果真的有的話），必須表徵這個世界的結構或者是模樣。可是當我們掌握了萬有理論之後，是不是也意味著我們掌握了世界本身的樣貌？有些科學家認為我們不論發展出什麼模型、建構了什麼理論、方程式，我們最多只是擁有這些模型、理論、方程式，我們對於真實世界的樣貌還是一無所知。就像作者引用John Gribbin的話：「要求一個決定性的說明來描述它[實在界]的特性，是沒有意義的；我們所擁有的只是對我們模型的描述...」(p.200)。哲學上，這裡的立場光譜有許多陣營，有實在論、實證論、經驗論、現象論、工具論、操作論、創造論、主觀論、建構論、反實在論等，每一種哲學主張都有一套自己對於模型跟真實世界關係的看法。只不過到現在為止，哲學還是爭論不休。
