……树木的主要成分是气体，所以当它们燃烧时，这些气体又回到空气中。燃烧的火焰所释放出来的热量原本来自太阳，它们被深锁起来，并将空气变成树的一部分。而燃烧殆尽的灰烬，则是树另一部分的残骸，这一部分并不源于空气，而是来自我们脚下结结实实的地球。
理查德·费曼（Richard Feynman）
天地之间有许多事情，是你的睿智所无法想象的。
莎士比亚，《哈姆雷特》
第1幕，第5场
眼见不一定为实
一秒钟之后，我即将死去。我的脚离开自行车脚蹬，手猛捏刹车闸，但是一切都太迟了。我只看见不断闪烁的车灯和逼近的卡车。40吨钢铁，像一条喘息的巨龙，挟着沉重的呼啸向我袭来。我看见卡车司机满眼的惊恐。我感到时间仿佛变慢了，我的过往人生一幕幕闪现在眼前。那一刹那，我脑中唯有一个念头：“多么希望这只是一场噩梦！”呜呼哀哉，直觉告诉我，这一切都是真实的。
然而，我如何才能百分之百地确定这不是梦境呢？假如在被撞之前，我曾无意中瞥见一些只有在梦里才会出现的场景，会不会有转机呢？比如，我已过世的老师英格丽竟然活了过来，好端端地坐在自行车后面；再比如，5秒钟之前，我视野的左上角突然蹦出一个对话框，上面写着：“你确定不看看右边，就贸然冲出地下通道吗？”下面还有两个可以点击的按钮，分别标着“确定”和“取消”，那一切又会怎么样呢？如果我看了太多类如《黑客帝国》和《异次元骇客》的电影，也许会开始怀疑我的人生是否只是一个计算机模拟程序，甚至开始质疑我从前深信不疑的那些关于真实世界的基本假定。但是，上面所说的这些怪事，我一个也没有经历过。死亡，是唯一的证明。毕竟，还有什么会比40吨重的大卡车压过来的感觉更真实呢？
可是，很多事情并不是表面上看起来的那样，卡车，甚至“实在”本身，都是如此。这种说法不仅来自哲学家和科幻作家，还源于物理实验。一个多世纪之前，物理学家们了解到一个奇妙的事实——在坚硬钢铁的内部结构中，其实大部分都是空荡荡的空间。这是因为，占原子质量99.95%的原子核，其实只占据了原子0.000 000 000 000 1%的体积。为何近乎空无一物的钢铁摸起来却实实在在、固若金汤呢？这是因为，让原子核各就其位的力量非常强大。另外，通过仔细测量，人们发现亚原子粒子甚至能在同一时间出现在不同的位置，这是一个著名的量子力学谜题（我们将在第6章进行探讨）。
既然粒子可以同时出现在两个地方，而我又是由这些粒子构成的，那我是否也能拥有分身术呢？实际上，在车祸发生的3秒钟前，我的潜意识已经决定了是只往左看，还是为以防万一也看看右边——左边是我每天都要转向的路，通往我在瑞典时所上的文理中学，这个路口通常没什么车。1985年那个清晨的瞬间，我草率作出的决定差点儿让我丢掉小命。这一切都源自一个小小的钙原子是否要进入我前额叶皮层某个特定的神经突触，它将决定这个神经元是否发射出电信号，从而激活其他神经元，并触发一阵瀑布般奔流的神经活动，最终在我的脑中编码出一句话：“不用看右边。”此刻，假如这个钙原子同时出现在两个相去不远的地方，一个在突触外，一个在突触内，那么半秒钟后，我的瞳孔将同时瞥向两个不同的方向；两秒钟后，我将同时骑向两个相反的方向。那么，不久之后，我将同时处于“活着”和“死去”两种状态。这究竟有没有发生的可能？我们的世界是否将走向拥有不同历史的平行宇宙呢？主流的量子力学家们正在热烈地辩论着这个话题。换句话说，量子力学中最重要的薛定谔方程，是否需要一些修正呢？现在问题来了，我究竟有没有死？在这个平行宇宙中，我差点儿死掉，但最终捡回了一条命。那在其他平行宇宙中，我是否有可能已经死了？（在那里，这本书也就不可能写出来。）既然我同时处于活着和死去的两种状态，那么我们是否应该修改一下我们对“实在”的看法，让它更加名正言顺？
如果你认为我刚才所说的这些听起来荒谬可笑，只是用物理学来搅浑水，那么，当你听到我接下来要讲的个人看法时，你会更加头昏脑涨。如果每时每刻，我在不同的平行宇宙中都可能出现在不同的位置，那么不管遇到什么意外，总有一个宇宙中的我能死里逃生。下面请你想象一下，如果未来每次都会这样，那么，至少存在一个平行宇宙，其中的我会永远活下去。由于我的意识只会存在于我活着的宇宙中，那是否意味着，在主观上我会觉得自己长生不死？如果真是这样，你也能找到一个你永远不会死的宇宙，最终，你将成为这个宇宙上活得最久的人。我们将在第7章讨论这些问题。
很惊讶吧？物理学竟然揭开了“实在”的面纱，让我们看到它怪异的面目，简直超出所有人的想象。其实，这还不算太惊奇，接下来，让我们看看达尔文的进化论吧，它会让你更惊讶。对某些物理现象，我们拥有着毋庸置疑的直觉。比如，当你扔出一块石头，直觉告诉你，它一定会以抛物线的轨迹落地。这是进化的馈赠，因为这些现象对我们远古祖先的生存具有价值（这也许正是人类对棒球感兴趣的原因）。一个山顶洞人如果总在思考“物质最终由什么组成”这种问题，可能就会忽略掉潜藏在身后的老虎，而被一口吃掉，最终被清除出大自然的基因库。于是，达尔文的理论作出了一个可检验的预言：每次，当我们使用科技去窥探人类尺度之外的实在时，进化带来的直觉都会被打破。这个预言被检验了一次又一次，每一次达尔文都以压倒性的优势取胜。
比如，爱因斯坦认为，物体做高速运动时，时间会变慢。瑞典诺贝尔奖委员会那些坏脾气的委员们觉得这个想法实在太疯狂，拒绝向爱因斯坦的相对论颁发诺贝尔奖。再比如，在极低的温度下，液氦会向上飘。而在高温时，粒子相撞后会变身为其他东西，比如电子与正电子相撞会变成Z玻色子。如果仅凭直觉，我会认为这听起来就像“两辆车相撞变成了一艘游轮”一样怪异。还有，在微观尺度下，粒子就像得了人格分裂症，会同时出现在两个地方，产生我们之前提到过的量子力学谜题。而在天文学的大尺度下，咄咄怪事依然存在，比如，仅凭直觉，人类根本无法理解黑洞的性质。如果你能从直觉上理解黑洞的方方面面，那你绝对是凤毛麟角！赶紧扔掉这本书，快去出版你的理论吧，免得有人在量子引力的诺贝尔奖上抢在你前面。
让我们把尺度继续放大，还有更多怪事在等着你，那里的现实比最高级的望远镜看到的所有东西都大得多。我们将在第4章中探索宇宙的早期，关于此，主流理论叫作“宇宙暴胀”（cosmological inflation）。这个理论暗示着，空间可不仅仅只是宏大而已，它实际上是无限的，包含着无穷多个你。这些“你”，在两种不同类型的平行宇宙中，经历着所有可能出现的人生道路。如果这个理论被证实，那么，即使我前面提及的量子力学观点（“另一个我被撞死在上学路上”）存在一些谬误，在太空中极遥远之处，也可能存在着无数个太阳系，其中生活着无数个我，他们过着完全相同的日子，直到那个千钧一发的时刻到来——决定不向右看。
也就是说，不管从极小的尺度还是极大的尺度看，物理学的发现都挑战着我们对实在最基本的看法。在本书第10章，你会看到，当我们利用神经科学来钻研大脑运作的方式时，即使在人类这个不大不小的尺度下，有关实在的观点也会受到严峻的挑战。
另外，正如图0-1所显示的那样，数学方程为我们提供了一扇窥探大自然运行规律的窗口。然而，为何我们的物理世界会展现出如此极端的数学规律呢？这种数学规律非常重要，著名天文学家伽利略宣称大自然是“一本用数学语言写就的书”；而诺贝尔奖获得者尤金·维格纳（Eugene Wigner）则强调说，“数学在物理学中不可思议的有效性”简直就是一个亟待解释的神秘事件。我写作本书的主要目的正是回答这个问题。在第9章和第10章，我们将探索计算、数学、物理学和意识之间的迷人关系，并探索我的一个听起来很疯狂的信念——我们的物理学世界不仅是被数学所描述，它正是数学本身，而人类正是这个巨大的数学体中具有自我意识的一部分。我们将看到，这个信念将开启一扇门，门后暗藏着崭新的、终极的平行宇宙。这些平行宇宙是如此庞大和奇异，以至于我之前提到的所有稀奇古怪之事都将黯然失色，迫使我们放弃关于实在的那些最根深蒂固的观念。
图0-1 当通过物理公式来看待世界时会发现，公式描述的是模式和规律。但对我来说，数学更像是通往外部世界的一扇窗口。在这本书里，我将告诉你，我们的物理世界不仅仅是被数学所描述，它正是数学本身；更确切地讲，它是一个数学模型。
生命、宇宙、万物，终极答案究竟是什么
在遥远的远古时代，人类祖先就已经开始追问什么才是实在，冥思苦想着这些关于实在的深邃问题。一切从何而来，又向何处去？宇宙究竟有多大？这些问题是如此迷人，全世界几乎所有的人类文明都为其倾心。为此，人们创造出了各种创世神话、传说和宗教信条。这些问题太难回答，并未形成一个全球统一的答案（见图0-2）。如果所有文化都趋向一个统一的世界观，那这说不定可以成为“终极的实在”。然而事情没有那么简单，每种文化给出的答案都大相径庭，有一些则反映出人们不同的生活方式。比如，古埃及的创世神话认为尼罗河让土地变得肥沃，而我们的世界正是从水中诞生；而在我的祖国瑞典，冰与火对生存非常重要，所以古挪威神话认为，生命起源于冰与火。很神奇吧！
图0-2 在漫长的人类历史上，许多思想家都曾为本书将讨论的许多关于宇宙的问题弄得神魂颠倒，然而全球并没有形成一个统一的答案。本图由MIT的研究生大卫·赫尔南德斯（David Hernandez）为我在2011年的宇宙学课程所制作。当然，这种简单的分类法并不严格，所以你可以持保留态度。因为许多宗教都有多个分支和不同的解释，还有一些可被分到多个种类中。比如，印度教在创世神话的三个分类中，都可以占有一席之地，因为根据传说，创世神梵天（图中的大神）和我们的宇宙都从一个蛋中而来，而这个蛋又是来自水。
这些终极问题，古人给出的答案都多少有点儿激进。那什么才是真实与实在呢？除去眼睛能看到的世界之外的世界，是真实存在的吗？是的！这是柏拉图在2 000多年前给出的答案。在他经典的洞穴之喻中，人就像被囚禁在一个山洞中，面朝空白的洞壁，身后的篝火将一切的影子投射在洞壁上，让人误以为婆娑摇曳的影子就是真实的世界。柏拉图认为，被我们人类认为是“实在”的一切日常事物，都只是真实世界扭曲且局限的幻影。要想真正理解真实世界，必须打破思想的枷锁。
我的物理学生涯告诉我，柏拉图是正确的：现代物理学用不胜枚举的例子证明，真实世界的终极本质并不是表面上看起来的那样。但如果物理实在不是我们认为的那样，那又应该是什么样的？我们脑中构建的内部实在与外部实在有什么关系呢？万物究竟由什么组成？世界是如何运转的？为什么呢？一切的一切，是否有一个终极意义？如果有的话，又是什么？正如著名科幻小说家道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在他的科幻作品《银河系漫游指南》（The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy）中所追问的那样：“生命、宇宙和万物的终极问题的答案究竟是什么？”
纵观人类历史，各个时代的思想家对“什么是实在”这个问题作出的回应可谓五花八门——不管是试图回答它，还是忽略它。在此，我举出了一些例子（见表0-1，这个表并不完全，也并不是所有例子都互斥）。
表0-1 对“什么是实在”的一些回答
这本书（包括我的科学职业生涯）是我个人对这些问题的追寻过程。这些思想家之所以有如此花样繁多的答案，一部分原因是他们选择从不同的角度来回答。所以，关于我个人如何解释它，以及采用什么方法，在此我需要向读者们说明一下。“实在”这个词可以有很多不同的内涵。在我眼中，它指的是包含我们自身的这个外部物理世界的终极本质。为了更好地理解它，我几乎被迷住了。那么，我采用了什么方法呢？
还在上高中时的一天夜里，我读了英国女侦探小说家阿加莎·克里斯蒂（Agatha Christie）的侦探小说《尼罗河惨案》（Death on the Nile）。尽管我知道第二天早上7点就得起床，但还是无法放下这本书。一直看到凌晨4点，谜题终于被解开了。我从小就对侦探小说神魂颠倒。12岁时，我和同班同学安德里亚斯·贝蒂（Andreas Bette）、马提亚斯·博特纳（Matthias Bothner）以及奥拉·汉松（Ola Hansson）成立了一个侦探俱乐部。我们从来没有抓到过罪犯，但破解谜题却让我放飞了想象力。
对于我来说，“什么是实在”就像是一个终极的侦探故事，作为一个物理学家，我能花这么多时间来探索这个问题，实在是太幸运了。在下一章，我会告诉你，还有很多夜晚，我都被好奇心所驱使，通宵达旦地看书，直到谜题被破解。当然，还有很多夜晚，我不是在读，而是在写。我所写下的，乃是一系列数学方程，但我知道，这些方程也像侦探小说一样，能把我引领到终极答案面前。
我是一个物理学家，因此对“实在”的谜题，我采用物理学的解决方法。对我来说，我将从“宇宙有多大”和“万物由什么组成”这种问题开始，并像对待侦探谜题一样对待它们：对细致的观察结果进行梳理，坚持追踪每个线索，不管它将通向何方。
破解“实在”谜题，一场智识上的终极冒险
什么？物理学的解决方法？这简直是浇灭人兴奋之火的一盆冷水嘛。我很理解这一点。每当我坐在飞机上，邻座的乘客问我做什么工作时，我都有两个备选答案。如果我当时想聊聊天，我就会回答“天文学”，这将开启一段有趣的对话[1]；如果我当时不想聊天，我就会回答“物理学”，十有八九他们就会说“哦，这是我高中时学得最差的学科”，然后就不再搭理我，我的旅程便会清静万分。
实际上，物理学也是我高中时最不喜欢的学科。我现在还对第一堂物理课记忆犹新——物理老师用单调而平淡的声音宣布：“本节课将学习有关密度的知识。密度，就是用质量除以体积。如果质量是这样，体积是这样，那么密度就是那样……”从那之后，我脑子里一片糊涂。并且，每当物理老师的实验失败，他就会将问题归咎于湿度，并说“今早还行的呢”。我的一些朋友并不知道为什么他的实验总是失败，直到有一天他发现，我淘气地在他的示波器[2]下面贴了一块磁铁……
申请大学时，我决定抵制物理学和其他科技领域，去了斯德哥尔摩经济学院，主要研究环境问题。我想为地球尽一份力，让它成为一个更美丽的星球。我发现，最主要的问题并不在于缺乏有效的技术方案，而在于没有很好地利用它们。我还发现，影响人类行为的最好方法是触动他们的钱包。创造经济刺激，让个人利己主义与公共利益结盟——这个想法把我给迷住了。然而，呜呼哀哉，我的美梦破灭了。我得出一个结论：经济学大体上是在兜售智力。说出权贵想听的话，就会得到奖赏。不管政客想做什么，都能找到某个经济学家来支持其做法。美国的罗斯福总统想要扩大政府开支，于是听从于宏观经济学大师约翰·凯恩斯（Johan M.Keynes）；而里根总统想要减少政府开支，于是转向反对政府过多干预经济的经济学大师米尔顿·弗里德曼（Milton Friedman）。
某一天，我的同学约翰·奥德霍夫（Johan Oldhoff）给了我一本书，改变了我的人生。这本书叫《别闹了，费曼先生！》（Surely You’re Joking, Mr.Feynman！）k。我从来没见过理查德·费曼，但正是他改变了我的人生道路，从经济学转向了物理学。当然，那本书的主要内容并不是讲物理学，而更像是教你如何撬开门锁和挑选女朋友，但我在字里行间感受到，这个家伙真是爱死物理学了。我被迷住了。如果你在路上看见一个长相平平的男生挽着一个倾国倾城的女孩，你一定会认为背后有什么不可言说的秘密，你可能会假设，她一定看到了他身上隐藏的闪光点。这也是我对物理学的感觉。我十分好奇，费曼到底看到了物理学的什么闪光点，是我在高中时所忽略的？
我很想解开这个谜题，所以我坐下来，开始读从老爸书柜里找到的《费曼物理学讲义》（The Feynman Lectures on Physics）第一卷。书上写道：“假如，因为某次大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话能传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息？”
哇哦！这个家伙和我的高中物理老师真的太不一样了！费曼继续写道：“我相信这句话应该是：万物都是由原子组成的——这种永恒运动着的小微粒，当它们分开时会相互吸引，而挤在一起时又相互排斥。”
我瞬间被点亮了。就像中了魔咒一样，我废寝忘食地读啊，读啊，读啊。我觉得自己简直像经历了一场宗教式的洗礼。终于，犹如醍醐灌顶，坐地顿悟，我明白了自己一直以来忽略了什么，而这却是费曼早就意识到的：物理学是终极的智力冒险，是为理解宇宙最深层次的谜题而进行的探索。物理学并不是给有趣的事情泼冷水，相反，它让我们把周遭美丽且神秘的世界看得更加清楚。
秋天，在骑车上班的路上，我看见树叶被染成了红色、橙色和金色，它们是如此美丽。然而，用物理学的眼睛来看这些树，还能揭示出更多的美！正如费曼所说的那样，“我越看得深，就越能瞥见更多的优雅”：在第2章，我们将看到，恒星才是树木的终极来源；而在第7章，我们将看到，研究树木的组成部分，将暗示着它们也存在于平行宇宙中。
那时，我有一个女朋友，在瑞典皇家理工学院学物理，她的课本看起来比我的有趣多了。可惜我们的关系没能长久，但我对物理学的爱却延续了下来。在瑞典，大学都是免费的，所以我在没有告知斯德哥尔摩经济学院的情况下，同时也注册了她所在的大学。于是，我有了一个神秘的双重身份。我的“侦探”生涯终于正式开始了。而这本书，正是我迟到了25年的“侦探报告”。
所以，究竟什么是实在？我在此设置了一个如此大胆的主题，并不是要自负地向你推销一个终极答案（在本书后面的章节，我们会一起探索那些迷人的可能性），而是要邀请你来参加一场探险之旅，并和你分享我对这些脑洞大开的神秘问题的兴奋和思考。我想，你会和我一样，得出结论：不管实在到底是什么，它绝对和我们从前所认为的大不一样，它是一个令人陶醉的谜题，深藏在我们的日常生活中。我相信，你会和我一样，用一个全新的视角来看待所有的日常问题，比如罚单和胃痛，更容易不被它们影响，并尽情地享受生活。
当我第一次和我现在的编辑约翰·布罗克曼（John Brockman）讨论写作本书的想法时，他给我下了几道“军令”：“我不想要一本教材——我要你用心写的书。”所以，我就写出了一本有点儿像科学自传的书，不过它的主要内容是关于物理学，而不是我。当然，这本书肯定也不像你通常所读的那些科普书，那些书的作者一般都是从客观的角度来讲解物理学，主要反映科学共同体的主流观点，并为反对意见留出同样的空间。而我的这本书更像是我对实在的终极本质的个人探索。我非常希望你会喜欢我眼中的世界。在这本书里，我们将一起探索我认为最不可思议的事情，并尝试找到它们的意义。
一开始，让我们一起来看看，最新的科学进展对讨论“什么是实在”的整个大环境有何改变。从极大的尺度（第1章～第5章）到极小的尺度（第6章和第7章），科学研究如何揭开了“实在”的面纱。在本书的第一部分，我们将追问“宇宙有多大”，为此，我们将在前所未有的大尺度上，探索宇宙的起源以及第一和第二层平行宇宙。在这里，你会发现一些暗藏的线索，暗示着宇宙从某种意义上来说是数学的。
在第二部分，我们将进入亚原子的微观世界，马不停蹄地探索“万物由什么组成”。其间，你会发现新的线索，暗示着组成万物的原材料从某种意义来说也是数学的。
在第三部分，我们将回头来看看这一切对真实世界的终极本质来说意味着什么。我们会讨论，不能理解人类意识并不代表不能完全理解外部物理实在。接下来，我们将踏上神秘的旅程——也就是我最激进和颇受争议的想法：实在的终极本质就是数学。这不仅会瓦解我们熟悉的概念，比如随机性和复杂性，甚至会让它们变成幻觉。于是，最终极的第四层平行宇宙应运而生。最后，在结语部分，我们将回到一切开始的地方，也就是我们栖身的宇宙。此时，我们将讨论，对宇宙中的生命、对人类以及对你我来说，这一切意味着什么？我们对未来有什么展望呢？一段迷人的旅程正在前方等着我们，让我们开始吧！
◆我认为，关于真实世界的终极本质，物理学告诉我们的最重要的事情就是：不管它到底是什么，它都绝不是表面上看起来的那样。
◆在第一部分，我们将把镜头拉远，探索极大尺度下的物理实在，从行星到恒星，再到星系和超星系团，以及我们的宇宙和两类可能的平行宇宙。
◆在第二部分，我们将把镜头拉近，追寻极小尺度下的物理实在，从原子到更小更本的粒子，并讨论第三层平行宇宙。
◆在第三部分，我们将研究奇异物理实在的终极本质，考察宇宙终极纯粹的数学性，尤其是第四层，也即最终极的一层平行宇宙中的数学结构。
◆对不同的人来说，“实在”的内涵是不同的。我所说的“实在”是指我们所存在的这个外部物理世界具有的终极本质。我从小就对这个问题很着迷。这本书是一场追寻“实在”之本质的个人冒险。跟我一起来吧！
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