@ 2018.11.27 , 11:00

物理理论一定是美的吗

原作者:Sabine Hossenfelder
法兰克福高等研究所的研究员。

物理理论一定是美的吗
Credit: 123RF

谁不喜欢美好的想法的呢?物理学家亦然。在物理学基础上,偏好更符合审美的假设已经成为默认的实践方法。物理学家也知道他们的偏好不太重要,毕竟,假设必须经过检验。但他们大部分的美妙的想法很难或者不可能加以检验。而且,即使实验上最后空手而归,物理学家也可以改口沓舌,以应实验。

如此已近40年。40年来,美学追求在各式研究项目中蓬勃发展——比如超对称理论、多重宇宙和大一统理论——成千上万的科学家投身其中。40年来,为此整个社会耗费了数十亿美元,却没有找到这些美妙想法的证据。以及,在这40年里,物理学基础上再也没有一个重大突破。

我的同事认为:美学标准是基于经验的。我们如今使用的最基本的理论——粒子标准模型和爱因斯坦的广义相对论——是美妙的,从特定角度来说。我同意、愿意去尝试相信,越是基本的理论同样也更美。但是,仔细想想,我们试过了,而且失败了。然而物理学家死性不改,选择理论的时候依然坚持流传下来的三条美学标准:简洁、自然和优雅。

我这里说的“简洁”不是指“奥卡姆剃刀”,它说的是:如果两中理论给出的内容是一样的,那你应该选择更简单的那个。不是,我是说绝对简洁:一个理论应当简单、与时俱进。如果理论不简单,不够满足我的同事们的口味,他们会试着改得简单些———通过统一几种力啊,或者假设有新的对称性给粒子排序。

第二个标准是自然。自然是一种努力排除人工元素的尝试,它要求一个理论不应当使用似乎是人工选择的假设。此标准常用于一些无量纲常数上,比如一些基本粒子的质量比。自然要求这些数等于或接近一,若却非如此,理论便要解释为什么会这样。

接着说优雅,第三条也是最难以捉摸的美学标准。它常常被描述为一种简洁和“顿悟”的结合体,两者一起揭示了某些新的关联。在“啊哈效应”(阿基米德的尤里卡时刻)中我们体会到了优雅,一个灵光乍现、尘埃落定的瞬间。

目前科学家在判断一个理论前景的时候仍然使用这三条标准。这指引这他们作出预测,例如,质子会衰变。搜寻实验从1980年代开始,但至今没人观察到质子衰变。理论学家也预测了我们应当能探测到暗物质粒子,比如轴子或是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。我们已经委托进行了数十项实验, 但还没有发现任何一个假设性的粒子——至少目前如此。对称与自然两个标准的加持下,物理学家相信大型强子对撞机(LHC)应该能撞出希格斯玻色子之外的新的东西,像是“超对称”粒子或空间额外维度。但一无所获,目前如此。

你可以把这套标准推到多远呢,在它到达荒谬的边界之前。好比,如果你把一个理论不断地化简啊化简,它最终会毫无预测能力,因为理论不再有足够的信息,连计算也无法进行下去。这样其实你有得到了理论学家口中的“多重宇宙”——一个包含着拥有不同自然法则的宇宙的无穷集合。

譬如,你在使用引力定律的时候不去通过实验固定牛顿常数的值,那就可以声称你的理论包括了引力常数为任何值的宇宙。当然,你最后还是要假设我们生活在其中一个值为我们碰巧测出来为牛顿常数的宇宙中。所以到头来你好像也没从这个理论里面多获得什么。除了,理论学家可以发表那些关于许许多多新宇宙的论文。让人安心的是,其它宇宙是不可观测的,因此多重宇宙理论们妥妥地不会接受实验的检测。

我觉得我们是时候从科学史中找点教训。美学指导理论的观点也没有什么好的历史记录。许多优美的假设还是错了,比如开普勒曾认为行星轨道是由被称为“柏拉图实体”的毕达哥拉斯正多面体堆叠而成,比如原子其实是看不见的以太中的一个结,又比如宇宙是“稳态”的而不是膨胀的。

同时有些理论当时看着很丑陋却经受住了时间的考验。当开普勒提出行星按椭圆轨道运行而不是圆形,同时代人觉得太丑了, 不可能是真的。物理学家麦克斯韦对他自己的电磁场理论也动摇过,因为彼时的美学标准是齿轮和螺丝构建的世界。狄拉克也斥责后来发展的麦克斯韦理论太丑了(应该指量子场论,译注),因为它牵扯到复杂的数学技巧用以消除无穷大。然而,那些被认为丑陋的想法是正确的。它们活到了今天。我们用着它,也不觉着丑了。

历史还有第二个教训。即使对许多物理学家来说, 美可以作为一个强大的个人驱动力, 但那些引出突破的问题不仅出于审美疑虑——而是数学矛盾。爱因斯坦,举例而言,抛弃绝对时间的是因为它与麦克斯韦电磁理论矛盾,从而创建了狭义相对论。他接着着手解决狭义相对论和牛顿引力定律的冲突,这带来了广义相对论。狄拉克后来去除了狭义相对论和量子力学之间的矛盾,导致发展了我们今天仍在使用的量子场论。

物理理论一定是美的吗
Credit: CERN

希格斯玻色子也一样是来自逻辑一致性的要求。希格斯玻色子于2012在LHC被发现,是补缺标准粒子模型必不可少的。没有它的话,粒子物理学家的计算中会有大于1的概率,数学的无意义结果不可能描述现实。不错, 数学并没有告诉我们一定是希格斯玻色子, 也可能是别的什么东西。但我们知道, 甚至在LHC建成之前就知道, 在那儿肯定有一些新鲜的东西。这是建立在坚实的数学基础上的推理。

超对称粒子,相反的,优美却不必要。它们的引入是为了修补当前理论美学上的短板,不够自然。一个不超对称的理论在数学上没什么错误,它只是不够漂亮。粒子物理学家使用超对称来弥补这种体现出来的不足, 从而使理论更加美丽。如此,能在LHC上看到超对称粒子的预测是建立在主观希望而不是合理逻辑上的。而这些粒子还没有被发现。

絮絮叨叨这么久,我的结论是:当物理学试图去完善美中不足的时候,我们可能把时间浪费在了无关紧要的问题上。物理学家们需要重新思考他们的工作方法,立刻现在——在我们开始讨论世界需不需要下一个更大的粒子对撞机或者开展新一轮暗物质搜寻之前。

事情不会都向我们期待的方向发展。新理论应该解决现有问题的想法原则上没错——只不过,当前,问题本身都没有清晰的表述,各种标准便无从下手。在物理学根本上,推理的概念和哲学基础就是薄弱的,而这必须得到改善。

要求大自然屈服于我们的美学理想是徒劳的也不是科学之举。不如让证据先行指引新的自然法则,美就在远方等着我们。

本文译自 Aeon Ideas,由译者 dingding 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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