捍卫物理学的完好性
George Ellis和Joe Silk　文　Shea　编译
	让宇宙学理论免于实验检验的企图正在破坏科学的根基。 2014年以来，物理学界的争论出现一个令人担忧的走势。面对把基本理论施用于可观测宇宙时的困难，一些研究人员呼吁改变理论物理学中已有的一些信条。他们开始明确地提出，如果一个理论足够优美且能够解释现象，那么它不需要实验的检验。这无疑打破了数百年来通过实证来界定科学知识的哲学传统。我们对此绝不同意。如科学哲学家卡尔·波普尔（Karl Popper）所提出的，理论的科学性必须是可证伪的。 一些弦理论家是“优美已足够”的大力倡导者。由于弦理论据称是“唯一”能够统一四种基本力的理论，因此他们认为它必定是真理，即便它依赖于我们无法观测到的额外维度。一些宇宙学家也开始放弃对基本假设进行实验检验，这些领域包括多重宇宙（包含无数的宇宙）、​​量子现实的“多重世界”解释（观测行为会使得现实出现平行的分支）和大爆炸之前。 这些无法证实的假说和那些直接与现实世界相连且可以通过观测检验的——例如，粒子物理学的标准模型以及暗物质和暗能量的存在——截然不同。如我们所见，理论物理学正在冒险进入数学、物理和哲学之间的真空地带，无法真正满足任何的要求。 可检验性的问题已经潜伏了十多年。在科普书和科学论文中，已经有批评弦理论和多重宇宙的声音。2014年3月，理论物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）在《自然》杂志中写道，暴胀宇宙学理论已不再是科学，因为它是如此的灵活可以与任何的观测结果相调和。通过一个哲学案例来削弱基本物理学对可检验性的要求，理论家和哲学家理查德·戴维（Richard Dawid）和宇宙学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）对这些批评进行了反驳。 我们对于戴维、卡罗尔和其他物理学家将这个问题拿出公开讨论表示赞同。但是，他们所崇尚的激进步伐则还需要仔细地推敲。这场关于物理学灵魂的论战爆发于科学结果——从气候变化到进化论——遭到一些政客和宗教原教旨主义者质疑之时。科学家和哲学家之间更深层次的对话必然要包含公众对科学的信心以及对基本物理学的本质所受到的潜在伤害。 弦理论 弦理论是一个精心设计的理论，通过在更高维空间中微小的（1维）弦和（高维）膜来统一现有的物理学。较高的维度都紧紧地卷曲了起来，尺度都太小，即便是未来的粒子对撞机也达不到探测它的能标。 弦理论的某些方面原则上是可以通过实验来检验的。例如，在弦理论中引入了费米子和玻色子间对称性——超对称性——之后，它预言每种粒子都存在一个尚未被发现的伙伴粒子。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机到目前为止还没有发现任何的伙伴粒子，对在超对称性可能存在的能量范围进行了限定。如果这些伙伴粒子继续不见踪影的话，那么我们可能永远也无法知道它们是否存在。当然，支持者总是可以声称，这些粒子的质量比所能探测的能量更高。 戴维认为，弦理论的真实性可以通过对研究过程的哲学和概率论证来确立。援引贝叶斯分析——一种推断理论解释是否符合一定事实的统计方法，如果一个理论是正确的或可行的概率在不断提升，戴维就将其视为得到了确认。然而，这一概率的增加可以是纯理论性的。因为“没人能找到了一个更好的方案”和“该理论没有其他可行的代替方案​​”，于是他认为弦理论应该被视为是正确的。 在我们看来，这是“射门不成，移动门柱”的做法。和通过观测证据来佐证科学理论的信念相反，他认为理论发现可以来巩固这一信念。然而，从数学逻得出的结论未必能适用于现实世界。从宇宙的稳恒态理论到粒子物理学中意图统一弱电力和强力的SU(5)大统一理论，实验已经证明许多优美而简单的理论是错误的。波普尔和其他二十世纪的哲学家已经否定了不以事实为根据就推断出真理的做法（归纳法优越论）。 我们不可能知道是否有其他的理论。我们可能只是还没有找到它们。或者，这一提法可能就是错误的。如果由时空曲率来描述的引力确实有别于统治粒子的强力、弱力和电磁力，那也许就没有必要来建立一个有关4种基本作用力和粒子的统一理论。有着众多变体的弦理论其本身甚至都没有明确的定义：在我们看来，这是一张期票，也许会存在着这样一个统一理论。 许多的多重宇宙 驱动多重宇宙的是一个谜题：为什么自然界基本常数——例如，描述粒子间电磁相互作用强度的精细结构常数和与宇宙加速膨胀有关的宇宙学常数——的数值恰好位于能使得生命得以存在的小范围之内。多重宇宙理论认为，还存在着数十亿个不可观测的宇宙，在它们中这些常数可以取一切可能的数值。因此，其中一些会和我们的宇宙一样适宜生命，但另一些则不会。 一些物理学家认为，多重宇宙是许多离奇巧合的最佳解释。例如，宇宙学常数难以解释的微小数值，它比量子场论的预言小了120个数量级。 2014年初，作为多重宇宙和多重世界假说的倡导者，卡罗尔反驳了波普尔的证伪标准，将其称为“钝刀”。他提出两个其他的要求：一个科学理论应该是“确定性”的和“实证性”的。卡罗尔说，“确定性”指的是这个理论“就现实如何运转有清晰和明确的表述”。对于“实证性”，他同意习用的定义，即应该通过解释测量数据的能力来判断一个理论是成功还是失败。 他认为，不可及的宇宙会对我们的宇宙产生“戏剧性的效果”，由此可以解释为什么我们所观测到的宇宙学常数是如此之小。但在多重宇宙论中，这一解释可以不顾天文学家的观测结果。宇宙学参数所有可能的组合会存在于某个地方，而这个理论本身也有许多可调的参数。其他理论，例如单模引力和修改的爱因斯坦广义相对论，也可以解释为什么宇宙学常数很小。 有些人已经提出了更易于检验的多重宇宙理论。如果测量发现宇宙具有负的空间曲率，那就可以否定物理学家伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind）所提出的版本。不过，这一发现对于其他众多的多重宇宙理论来说并不能说明什么。从根本上说，多重宇宙的解释依赖于弦理论，而弦理论本身还未经证实，它还依赖于某种机制能在不同的宇宙中实现不同的物理学。在我们看来，这绝非坚实，更遑论可以检验。 物理学家休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出的对量子现实的多重世界解释是最终的量子多重宇宙，在其中量子概率会影响到宏观世界。根据埃弗雷特的观点，在密闭的箱子里通过随机放射性衰变放毒，每一只薛定谔的猫，其是生是死在自己的宇宙中是真实发生的。每当你做出选择，即使是再平常不过的选择，比如是向左走或向右走，都会在量子真空中诞生出新的宇宙，以适应其他的行为。 数十亿个宇宙、星系和我们每个人的副本，在它们之间无法建立起通讯，也无法对其进行检验。但是，如果在每一个多重宇宙中都有一个我的副本，并且可能有无穷多个，那么哪一个才是我现在正在经历的真正的“我”？是否存在一个优先于其他的自我副本？如果有一个我的副本青睐多重宇宙论而其他的副本则反之，那么“我”又该如何知晓现实的“真正”本质呢？ 我们认为，宇宙学家们应该注意数学家希尔伯特的警告：虽然数学上确实需要无穷以完备，但它却并不存在于物理宇宙中。 通过检验 我们同意理论物理学家萨宾·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）的观点：后实证科学就是一个矛盾。量子力学和相对论之所以是正确的理论，是因为它们做出了预言并在实验检验中存活了下来。然而，从托勒密的地心说到开尔文的原子“漩涡论”，再到弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的宇宙稳恒态理论，大量的历史教训却向我们指出，在没有充足数据的情况下，即便是优美且令人信服的想法也会把科学家引入错误的方向。 过分宣扬某些理论意义其后果是沉重的——科学方法会变得岌岌可危。我们认为，宣称一个理论是如此之好，它的存在便取代了对数据和检验的需要，这一做法有误导学生和公众的风险，比如该如何做科学研究，同时还有可能为伪科​​学家大开便利之门。 怎么办？物理学家、哲学家和其他科学家应该在当今物理学的框架下制定一个与其相适应的对科学方法的释义。在我们看来，这个议题可以归结为澄清一个问题：什么样的潜在观测或实验证据能够令你信服某个理论是错误的并使得你放弃它？如果没有，那它就不是一个科学理论。 这必须在正式的哲学术语下来描述。作为最初的步骤，未来应该召开一个会议。有关可检验性辩论的双方都必须参加。 与此同时，期刊编辑和出版商可以根据其潜在的可检验性把这些工作归入其他研究范畴，例如数学，而不是物理宇宙学。一些物理学院系和研究所被这些研究一统天下的局面也需要重新思考。 科学的赞许应该只授予可检验的理论。只有这样，我们才能捍卫科学免受攻击。
[Nature 2014年12月18日]

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