宇宙從何而來？萬物是由什麽構成的？它們又是如何運作以及相互作用的？生命是什麽？人類是如何進化，並且擁有智慧去探索這個宇宙的？我們在這個宇宙中是獨一無二的嗎？......自人類抬頭仰望星空時，我們便踏上了無窮無盡的探索之路。而追求這些大問題的答案，也成為了科學的目標。
這個或許是有史以來最有知識的甜甜圈了，它蘊藏了大量的資訊，其中包含了科學方法、形式科學、自然科學、應用科學以及藝術。
Dominic Walliman
科學的起源可以追溯到古埃及和美索不達米亞（公元前3500 - 3000年）。他們對數學、天文學和醫學的貢獻進入並塑造了古希臘的自然哲學，在此基礎上，人們才開始嘗試根據自然原因來解釋物質世界的事件。亞裡斯多德是第一個開始思考如果進行科學研究的人，他所發展的方法歷經不斷地改進，現在被稱為科學哲學。科學的核心是科學方法（進行科學研究的過程），包含了邏輯、理性主義、經驗主義、證據、可檢驗的假設、客觀性和還原主義等原理。
上面這張圖粗略的概括了科學方法。一個新的或改進過的理論是基於未解釋的數據、思想實驗和一般原理提出的。要成為成功的科學理論，它必須可以做出定量的預測。科學家會通過實驗或觀測來檢驗理論所做出的預測，如果實驗或觀測與預測一致，那麽該理論會被用來做出更多的預測；如果實驗或觀測與預測不吻合，就意味著這個理論需要進一步改進，或完全被丟棄。
數學和電腦科學雖然不研究自然世界，但卻是科學家不可或缺的工具。
從算術到群論，數學構建了科學模型的基礎。我們或許會受到一個靈感或一種類比的啟發，但是精確的科學語言是需要以數學結構為基礎的。或許，我們所了解的與宇宙有關的一些最基本的東西都和數學有著某種深刻的聯繫。1960年，物理學家尤金·維格納在《數學在自然科學中不合理的有效性》中就表達了他驚奇於數學對物理世界的描述能力，遠遠超出任何純粹人造工具的想法。維格納在文中寫到：“數學語言在表述物理定律時的適當性是一個奇跡，一個我們既不理解也不應得的奇妙天賜。”
Dominic Walliman
我們也需要通過電腦來拓展我們自己的大腦。最開始電腦只被用來解決和算數有關的問題，但很快它的自身價值就延伸到了各個科學領域：運行互聯網絡、處理實時影像、製造人工智能，以及模擬整個宇宙，等等一切都離不開電腦的存在。
Dominic Walliman
物理學，一個可能比較簡單的定義是，它是一門研究宇宙中的最小事物到最大事物的特性和規律的學科。20世紀之前的物理學被稱為經典物理學，到了20世紀初，19世紀末的兩朵烏雲發展出了相對論和量子力學。這兩個理論是現代物理學的兩大基石。如今，暗能量、暗物質等問題都是物理學中未被解決的大問題。
Dominic Walliman
化學是一門研究物質的性質、組成、結構、變化規律以及相互作用的基礎自然科學。從簡單的原子到複雜的生物分子，都是化學所研究的對象。人類在很早的時候就對化學產生了濃厚的興趣。從火的化學反應開始，人類就一直運用它來發展其它的化學技術，比如煮東西、冶煉金屬和製造玻璃等等。之後，文明的發展其實都是基於化學的進步，比如金屬加工、化肥生產、新材料和藥物的製造等等。
Dominic Walliman
生物學是一門研究所有不同形式的生命的學科，從簡單的細胞到棲居在這顆星球上的所有動物都是生物學家的研究對象。生物學可以大致劃分為五個類別：細胞內部、遺傳學、生物體、醫學和群體。生物學中的許多分支都是相互關聯的，比如研究動物學就必須要掌握進化學、生理學和生態學的相關知識，而如果沒有生物化學和分子生物學作基礎，細胞生物學的研究也無法開展。
Dominic Walliman
物理學家運用還原論（把事物分解成最小的組成部分，並一個個地加以理解）不斷地揭開隱藏在宇宙中更深層次的秘密。但是當我們轉向化學和生物學時，就會發現還原論變得越來越難應用了，因為生物學所處理的系統要複雜得多。如果你只想研究生物學的某一部分，會發現這個部分中的單一物體的屬性其實是嚴重地由它與其他物體間的關係所決定的。我們無法單獨地研究一個單一物體，因為當我們把它從這些關係中剝離出來，就會改變這個你原本想要研究的對象。
事實上，朝著遠離物理學的方向（比如物理學 化學 地質學 神經科學 動物學 心理學），整個科學方法也隨之瓦解。我們可以在營養學和心理學等領域體會到這一點。在這些領域，一些重要的結果越來越值得懷疑，比如攝入飽和脂肪會導致高膽固醇；一些重要的心理學研究結果也面臨無法被重複的危機。但這是可以理解的，要用一個科學理論來解釋人的種種行為是很困難的，因為人本身就是非常複雜的。就目前所知，人類的大腦或許是宇宙中最複雜的系統。
Source：Max Tegmark
上面這張圖粗略地總結了不同科學理論之間的關係。最上面的問號代表的是一個可以統一廣義相對論和量子場論的
萬有理論
；最底部的則是社會學。原則上，圖中的每一個理論都可以從在它上層更基本的理論中推導出來。例如，當牛頓的引力場數G=0時，狹義相對論可以從廣義相對論中得出；當光速c趨於無限時，經典力學就可以從狹義相對論中得出……但是我們也可以看到，要從化學中推導出生物，或從生物中推導出心理學，幾乎是不可在實踐中實現的。
社會科學往往給人一種不那麽科學的感覺，但它們也需要基於嚴謹的科學分析。例如，考古學便是一門必須運用到物理學中的那些硬科技來探測深埋於地底的結構、測定化石的年代的學科；又比如在經濟學或政治學中，研究人員會應用到非常嚴謹的統計學技巧來分析數據。但是，經濟學很難對未來進行預測。比如我們似乎很難預測經濟衰退會在何時發生，或者明天比特幣的確切走勢；但在物理學中卻並不這樣，例如你扔一個球，物理學就可以精確地預測這顆球在未來的走向。
最近，社會科學領域面臨著嚴重的可重複性危機。例如，在一項研究中，科學家重複了在2010到2015年發表在《自然》和《科學》上的21個社會科學實驗，但只有13個實驗能與初始研究有著相同方向上的顯著效應；而且觀察到的效應量級大約只有初始研究中的一半。但是危機往往也預示著機遇。科學家正視圖提出新的技術和方法來應對這些複雜的系統。這是一個非常艱巨的挑戰，但也是科學進步的必經之路。
現在，讓我們繼續我們的旅程，卸下科學的嚴謹重擔，進入藝術的世界——一個純粹的主觀性殿堂。什麽樣的藝術作品是好的作品？事實上，偉大的藝術和偉大的科學都具有三個共同特徵：第一，非常具有創造性，並以其力量征服我們；其次，經得起時間的考驗；第三，能改變幾代藝術家或科學家思考自己所在領域的方式。
藝術與科學都是對一件事物無止境的探索，去突破前人所知、所想、所做的極限。藝術可以通過書籍、電影、音樂、藝術品去探索人類的處境，它們總是試圖尋找新的方式來反思活著的意義。藝術是人類的情感，是大腦的創造力。
這種本質上的難以理解使它們變得極度有趣。一些最經久不衰的藝術可以觸碰到一些最深刻的問題，例如我們從何處來？我們是誰？我們向何處去？......
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