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《自然》：纯理论研究脱离实验验证将危及科学

2015.1.06

图片来源：《自然》

　　2014年，物理学界的讨论转了令人担忧的一圈。其中，面临的难题是把基础理论应用到所观察的宇宙中。一些研究人员呼吁应就如何开展理论物理研究作出改变。他们公开争辩称，如果一项理论足够经典和具有说服力，就不必经过实证验证。这打破了几个世纪以来哲学传统把科学知识定义为“实证验证”的做法。

　　对此，南非开普敦大学应用数学名誉教授George Ellis 和法国巴黎天体物理研究所及美国马里兰州巴尔迪摩约翰斯·霍普金斯大学物理学教授Joe Silk，近日在《自然》杂志上发表了联名撰写的文章。他们表示，正如科学哲学大师卡尔·波普尔所言：理论只有经过检验才能成为科学。

　　弦理论

　　弦理论阐述了极其微小的线状“弦”（一维空间实体）与膜（更高维的扩张）如何存在于更高维的空间中。这成为所有物理学的基础。不过，更高的维度缠绕得如此紧密且如此微小，以至于几乎用未来任何粒子探测器通过碰撞获得的能量也难以观测到。

　　部分弦理论在理论上可以得到实验验证。比如，弦理论的核心即费米子与玻色子之间的假设对称——超对称——推测认为，每种粒子都有一个未观测到的搭档。然而，目前瑞士日内瓦欧洲粒子物理实验室欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）尚未发现这样的搭档粒子。LHC可以限制超对称性可能存在的能量范围。

　　理论学家和哲学家Richard Dawid认为，弦理论的精确性可以通过对研究过程的哲学和概率讨论来建立。通过引用贝叶斯的分析，即用来推断一种解释与一组事实相吻合的可能性的统计学方法，Dawid认为，概率增加的确定等同于一个理论是真实的或是可行的。但是这种概率的增加可能完全是理论上的。因为“没有人发现更好的选择办法”，而且“没有选择性的理论往往在过去是可行的”，他推理认为，弦理论应被纳入有效范畴。

　　Ellis 和Silk认为，这是在改变规则。Dawid不相信当观测证据出现后会逐渐支持科学理论，而是认为理论发现支撑着观点，从数学逻辑推理而来的结论没有必要适用于真实世界。然而，从宇宙学稳态理论到粒子物理学的大统一理论，实验已经证明很多美丽和单纯的理论是错误的。关于这个世界的先入为主的观点可以不经过既定事实（归纳法）来推论的想法，已经被波普尔和其他21世纪的哲学家推翻。

　　科学家不知道是否存在其他可供选择的理论，或许至今尚未发现它们，或许这些前提都是错误的。如果引力—— 一种时空曲率的影响不同于控制粒子的强作用力、弱作用力与电磁力，可能就不需要四种基本作用力与粒子的总体理论。由于存在如此多的变量，弦理论的定义到今天为止甚至尚未明确：在Ellis 和Silk看来，弦理论主张的可能存在一种统一理论的看法是一张不知是否可以兑现的期票。

　　多元宇宙论

　　多元宇宙理论主张，存在着数十亿个看不见的姊妹宇宙空间，在那里这些常量所有可能的值都会发生。因此，无论多么难以置信，在某个地方，存在着和我们生存的宇宙空间类似的友好宇宙空间。

　　一些物理学家认为，作为许多其他奇怪耦合现象的一种解释，多元宇宙论没有更复杂的对手了。比如，宇宙学常数的低值就很难被解释，该值为120量级，比量子场论预测的值还低10个量级。

　　2014年早些时候，倡导多元宇宙和多元世界假说的宇宙学家Sean Carroll认为，波普尔的证伪标准是“迟钝的工具”。他提出了其他两个条件：科学理论应该是“确切的”“实证的”。所谓确切性，是指理论阐述的是关于现实如何发挥作用的清晰与明确的观点；所谓实证性，Carroll同意习惯的定义，即一项理论应该通过其解释数据的能力来判断真假。

　　他争论称，在宇宙后院不可到达的地方可能拥有“惊人的效果”，解释了科学家可以看到的一部分，即宇宙常数为何如此小。这个理论有很多可以调整的变量，所有可能的宇宙学参数组合都可能存在于某个地方。其他理论，如幺模引力——爱因斯坦广义相对论的一个修正版本，也可以解释为什么宇宙常数并不大。

　　一些人发明了可被检验的多元宇宙理论：如果宇宙负空间曲率被证实，物理学家李奥纳特·苏士侃的多元宇宙版本就可以被证伪。但是这些发现对于其他一些版本的多元宇宙论而言却不能证明任何事情。基本上，多元宇宙的解释依赖于弦理论，而后者也尚未得到证实；同时也依赖于在不同的姊妹宇宙中实现不同物理现象的推测机制。Ellis和Silk认为，该推测机制本身并不那么充分，更不要说实验验证了。

　　物理学家休·埃弗莱特提出的量子世界的多元世界理论是终极量子多元宇宙。在这个世界中，量子可能会影响宏观世界。根据埃弗莱特的观点，薛定谔的每只著名的猫——死的与活的，药死的或是通过随机放射性衰变而不在关闭的箱子中的——在其所处的世界中都是真实的。每次当你作选择的时候，甚至是稀松平常的选择向左或向右，一个选择性的量子真空宇宙都会冒出来，并适应另一个行动。

　　而在Ellis和Silk看来，宇宙学家应该留心数学家大卫·希尔伯特的警示：尽管无限需要完整的数学，但它并不存在于物质世界中。

　　是否需要验证

　　Ellis和Silk赞同理论物理学家Sabine Hossenfelder的观点：后经验科学是个矛盾。一些理论如量子机制和相对论最后被证明站得住脚，是因为它们的推测经受了检验。然而，无数历史案例已经表明，由于缺乏足够数据，一些经典和具有吸引力的想法使研究人员误入歧途，从古希腊天文学家、地理学家托勒密的宇宙地心说，到英国物理学家、数学家开尔文关于原子的“涡流理论”，再到英国天文学家弗雷德·霍伊尔的永恒的稳态宇宙说皆是如此。

　　他们指出，过于宣扬某些理论的重要性会造成影响深远的后果——让科学方法处于危险之中。宣扬某个理论已经完美到其存在不需要任何数据和检验，会在应该如何做科学的问题上冒误导学生和公众的风险，还可能会给伪科学家大开方便之门，说他们的想法也符合类似条件。

　　应该怎么做呢？物理学家、哲学家和其他领域的科学家应该锤炼出能应对现代物理学范围的科学方法的新表述。Ellis和Silk认为，事情可以归结为可阐明一个问题：有哪些潜在的观察或实验证据让你相信一个理论是错误的并让你放弃它？如果没有这些证据，那么它就不是一项科学的理论。

　　这个问题必须通过正式的哲学术语来表述。在Ellis和Silk看来，2015年应该召开会议从而就此迈出第一步。关于可验证性辩论的双方科学家都应该参与。

科学宇宙理论

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