科学的灵魂之役:我们应该相信无法检验的弦理论吗?

弦理论、多重宇宙等许多现代物理学思想都可能是不可验证的。既然如此,我们是否应该相信这些理论?这是科学家和哲学家们在慕尼黑最近举办的一场具有历史意义的会议上所探讨的一个问题。

物理学家通常认为他们「不需要科学哲学家和科学史学家,如同鸟儿们不需要鸟类学家一样,」诺贝尔获奖者David Gross在慕尼黑对着满屋的哲学家、历史学家和物理学家引用了已故著名物理学家理查德·费曼的这句话。

但是,非常时期呼唤非常方法。

Gross解释到,基础物理学面临着一个问题,这个问题已经严重到需要其它学科的同仁给予帮助的程度。他说:「到了这个时间点,我们需要互相帮助。」

这是一个为期三天研讨会的开幕致辞。这个研讨会在慕尼黑大学 (LMU Munich)的一个罗马风格的大讲堂中举行。前面坐着两位白发苍苍的物理学家,他们分别是George Ellis 和 Joe Silk。一年以前,正是他们两人提议举办这样一次会议,目的是为了集思广益。100位与会者齐聚在这个具有悠久的物理学和科学哲学传统的著名学府。他们进行了一场被Ellis和 Silk称为「关于科学之本质与灵魂的战役」。

如Ellis 和 Silk所讲到的,这个危机是由于现代物理理论中的过度推测所造成的。这种现象反映出一种危险的倾向,与科学方法背道而驰。今天的许多物理理论学家仅因为某些理论很美妙或逻辑上很吸引人就说服自己相信此类理论,却无视它们不可检验这一事实。这类理论学家中不乏许多弦理论和多重宇宙假说的支持者。Ellis 和 Silk 控诉这样的理论学家们「移动了科学的球门柱」,同时模糊了物理学和伪科学之间的界线。Ellis 和 Silk写道:「科学理论的出版许可只能授予那些可以被实验验证的理论,」因此,我们要取消过去40年里的大多数重要理论的资格。「只有这样,我们才能保护科学的大厦不受攻击。」

从某种程度上说,他俩是在回应Richard Dawid提出的一些带有争议的想法。后者是一位奥地利哲学家,他在2013年的《弦理论与科学方法》(String Theory and the Scientific Method)一书中提到了三类「非经验的」证据,有助于在缺乏经验数据的情况下,建立对某些科学理论的信心。Dawid目前在慕尼黑大学担任访问学者。他响应了Ellis 和 Silk的挑战,并且邀请世界各地的学者参与了这次盛会,希望大家各抒己见。

Gross 为这次讨论文做了开场演讲。Gross是一个弦理论的支持者。2004年,他因对原子间作用力的研究而获得了诺贝尔物理学奖。他断言,这个问题不是物理学家的问题,而是关于「大自然真相」的问题——在追逐答案的漫漫长路中,我们已经一往无前地奔跑了400余年。

对于大统一理论(用一个统一的理论来解释自然界所有的力)的探索是很艰难的,这需要物理学家们越来越细致地考察我们的宇宙——例如,我们需要考察物质内的原子、原子内的质子和中子、以及质子和中子内的夸克。但是,这种放大观测尺度的过程总是需要能量的。Gross 说,制造相应设备的难度和成本随着能量的提高而呈指数级增长。「在过去的400年里,这些问题都被一一解决了。一开始,我们的观测尺度是厘米级,而现在已经达到了厘米的几百万分之一的几百万分之一的几百万分之一」——也就是瑞士大型强子对撞机(LHC)目前的分辨率。「我们已经走得非常远了,但是这个能级的平方会我们毁灭,」他说。

当我们用自己能力的实用极限去探察自然界的基本原理时,理论学家的心思已经游荡到最小可观测距离以及最大的能量范围之外去了。强烈的迹象表明宇宙的基本组成单元比目前LHC能达到的尺度还要小亿万倍。这就是「万物理论」的候选者——弦理论试图描述的疆域。但是,没有任何人知道该如何去探索这片未知的领域。

这个问题同样桎梏着物理学家在宏观尺度上认识宇宙:没有一台望远镜能够望穿我们宇宙的视界,窥见多重宇宙理论所提出的其他宇宙。但是,现代宇宙学理论在逻辑上支持多个宇宙存在的可能性。

无论是因为理论家的得意忘形还是因为自然的刻意隐瞒造成目前的缺憾,结论都是一样的:理论已经脱离了实验验证。现在理论推测的对象太远、太小、能量太高或太早,远到无法用我们现有的技术和设备去触及或者排除。那么我们应该怎么做呢?按照Ellis 和 Silk所说,「物理学家、哲学家和其它科学家应该统一出一套新的科学方法,用以解决现代物理学中所遇到的问题。」

Gross 说:「下一步所面临的问题,不是一种意识形态而是一种策略:什么是做科研最有用的方法?」

在这三个冬日里,学者们对如下话题展开了激烈的讨论:理论、证实和真理的意义;科学是如何运作的;以及当前哲学是否应该指导物理学方面的研究,或者是否应该反过来,让物理学来指导哲学的研究。在这些紧迫但是没有时间限制的讨论过程中,大家达成了一定程度上的共识。

游戏的规则

纵观历史,科学的法则经历了飞速的发展,只有不断被修订,才能适应不断变化的情况。古人相信他们可以通过推理来接近科学真理。到了17世纪,艾萨克·牛顿通过「理性主义」哲学打破了这种观点,点燃了现代科学,采用了「经验主义」的方法,也就是科学知识只能从经验观察中派生而来。换句话说,一种理论只有被实验证实后,才可以写入教科书。

但是一个未经检验的理论需要满足什么条件才能被认为是科学的呢?理论学家引领科学探索的方式是,想出理论,并把它们放到测试中进行检验,然后解释实验结果。那么,是什么让理论学家们一直遵守科学标准或法则的约束呢?

今天,大多数物理学家通过奥地利-英国哲学家卡尔·波普尔(Karl Popper)的经验法则来判断理论的合理性。在上世纪30年代,波普尔通过比较爱因斯坦和弗洛伊德的工作,从而在科学和非科学之间划定了界限。爱因斯坦的广义相对论认为引力是由于时空的弯曲,做出了有风险的预测——如果这些预测没有如此成功,就有可能失败得非常惨淡,从而证伪该理论。但是弗洛伊德的精神分析则非常圆滑:你母亲的任何过错都有可能对你的诊断造成影响。该理论不可证伪,因此波普尔认为这不是科学。

批评者指责弦理论、多重宇宙假说和宇宙暴胀理论(这是宇宙形成的主要理论)处于波普尔界限的非科学那边。批评者甚至借用哥伦比亚大学物理学家Peter Woit 2006年关于弦理论的书名来指责这些想法「甚至连错误都算不上」。在他们的社论中,Ellis和Silk引用波普尔的精髓:「可证伪的理论才是科学。」

但是,在慕尼黑,许多科学家都惊讶地得知,证伪主义不再是科学界最具声望的理念。纽约城市大学研究生中心的哲学家Massimo Pigliucci指出,正如波普尔自己所认识到的那样,将可证伪性作为科学和非科学之间的分界线是远远不够的。例如,占星术是可证伪的(事实上,它已被证伪到令人厌烦),但是它并不是科学。物理学家关于波普尔理论的当务之急是「有些东西真的需要立即停止。」 Pigliucci说,「我们需要讨论当前的科学哲学。我们不需要讨论50年前是什么样。」

如今,正如一些哲学家在研讨会所指出的那样,波普尔主义者的证伪主义已经被贝叶斯证实理论所取代。贝叶斯证实理论是基于18世纪英国统计学家托马斯·贝叶斯的概率论发展起来的现代化框架。贝叶斯证实理论允许这样的事实存在,即现代科学理论提出的主张通常远远超出了目前可以直接观察的范围(例如没有人真的看到过原子),所以今天的理论通常很难简单放入证伪和不可证伪的二分法中。相反,对理论的信任往往落在了连续统的某处,当获得新信息时,会在0%和100%之间上下滑动。「贝叶斯理论框架比波普尔的理论更加灵活,并且它也能与推理的心理学很好地连接起来,」慕尼黑大学贝叶斯理论哲学家Stephan Hartmann说。

Gross对此表示同意。他说,从Dawid的书中学习贝叶斯证实理论时,他感到「有点像莫里哀笔下的某位人物说道,「『我的天哪,我的一生都在说着平淡无奇的话!』」

Hartmann说,贝叶斯理论的另一个优点是,可以帮助像Dawid一样的哲学家弄清楚「这种非经验的证据如何适应,或者说可能适应。」

另一种证据

今年49岁的Dawid是一名理论物理学家,有着一头松软的棕色头发,是一个谦和、爱笑的人。上个世纪90年代末,当他在加州大学伯克利分校弦理论研究中心工作期间,他被许多弦理论学家那种尽管缺乏实证支持却依然坚信自己走在正确道路上的信心所深深吸引。「为什么他们相信这个理论呢?」他回想起他当时的疑惑。「他们的思考方式与传统有什么不同呢?」

弦理论说,当凑近细看时,基本粒子拥有维度,在自然界最小的尺度上表现得像扭摆的回路(也称为「弦」)和薄膜。根据这个理论,额外维也能实现在时空本身的结构中。在这个更高维的空间中,弦的不同振动模式产生出了组成我们可观测宇宙的一系列粒子。特别是其中一种振动模式符合「引力子」的特征,这正是与万有引力相关的假想粒子。这样,弦理论将爱因斯坦广义相对论描述的万有引力与粒子物理学余下的部分统一起来了。

然而,弦理论根植于20世纪60年代发展起来的思想,并没有对可观测宇宙做出任何可检验的预测。为了理解为什么这么多学者依然相信它,Dawid报名参加了一些科学哲学的课程。当他发现对该现象所做的研究是如此之少时,他改变了自己的研究领域。

在21世纪初,他指出,有三条非经验主义的论证使弦理论的支持者对其产生了信心。

首先,似乎只有一种版本的弦理论能够实现一致的统一(尽管它有许多不同的数学表达形式);此外,尽管人们付出了不懈的努力,但还没有其他的「万物理论」能够统一已发现的所有基本力。(有一个与之竞争的理论叫圈量子引力理论,它能在量子尺度上描述引力,但不能将引力与其他几种力统一起来。)这样,弦理论成为了一个「缺乏替代方案」的理论,通俗地讲就是「弦理论是镇上唯一的游戏」,这也增强了理论学家们的信心,让他们认为几乎不存在其他可能统一四种基本力的方法,使得弦理论看起来似乎就是唯一正确的路径。

其次,弦理论是从标准模型中成长出来的理论,而标准模型在它形成的年月中,也没有可供备选的替代方案。标准模型能在单个数学结构中将所有基本粒子和基本力(除了万有引力)统一起来,该理论已被人们广为接受,并且已被经验所证实。Dawid用这个被他称为「元归纳」(meta-inductive)的论点来支持「缺乏替代方案」的理论在过去相似的环境中曾有过成功案例,以此来反对科学家找不到备选方案的原因只是因为不够聪明的观点。

第三个非经验主义论证是,弦理论除了它本身打算解决的大统一问题之外,还意外地对一些其他理论问题作出了解释。来自加州大学圣芭芭拉分校的Joe Polchinski是一位坚定的弦理论学家,他在慕尼黑会议中阅读论文时,举出了几个被Dawid称为「意外的解释性联系」的例子。例如,弦理论解释了黑洞的熵,以及在过去15年中曾掀起一波研究热潮的惊人发现中,弦理论能在数学上转换为粒子物理学,例如描述原子核的理论等。

Polchinski总结到,想想我们与自然界最细微的尺度之间的距离,我们理应觉得自己很幸运:「弦理论是存在的,并且我们已经找到了它。」(Polchinski同样也采用了Dawid的非经验主义论证来计算了多重宇宙存在的贝叶斯概率为94%——这个数值遭到了多重宇宙批评者在网络上直言不讳地奚落。)

Dawid在一次访谈中承认了将贝叶斯证实理论放入非经验主义论证的担忧:「它打开了抛弃所有科学原则的防洪堤。」为了维护自己偏好的观点时,人们可以想出各种非经验的优点来拥护他的观点。「显然风险是有的,并且人们应该对这种辩解持小心谨慎的态度,」Dawid说。「但是,承认非经验实证是科学的一部分,并且其作为科学的一部分已经有一段时间了,这将为讨论提供一个更好的基础,而不是假装它不存在、默默地使用它然后说我没这么做。一旦它进入光天化日之下,人们就能在具体的语境中来讨论对它的支持与反对了。」

慕尼黑之争

历史的故纸堆中堆满了美丽的理论。丹麦宇宙历史家Helge Kragh在2011年的《Higher Speculations》一书细数了这些失败的案例。在慕尼黑,他在演讲中介绍了19世纪的原子涡动说。这个理论由 Scots Peter Tait和Lord Kelvin提出,曾被称为「成功的万物理论」。它认为,空间中充斥着一种名为以太的流体介质,而原子是以太中的微观漩涡。氢气、氧气等所有原子归根结底只是不同的漩涡节点。Kragh说,一开始这个理论「似乎非常有前景」。「人们沉醉于它数学形式的丰富性。用当时的话说就是,足以让数学家们忙上几个世纪。」呜呼哀哉,原子并不是什么漩涡,连所谓的以太也根本不存在。美丽的理论不一定都是真的。

不过有时候,美丽的理论却确实有可能是真的。爱因斯坦在理性的引领下得到了他的相对论。即使在相对论被实践检验之前,他也基于理性、全心全意相信它是真的。「我确信,纯粹的思考能捕捉到真理,正如古人所梦想的那样,」1933年,爱因斯坦如是说。一年前,他的理论刚刚被太阳周围弯曲的星光所验证。

而哲学家的问题是:如果在不进行实验的情况下,如何区分原子涡动说和爱因斯坦相对论二者的非实证特点的区别?我们是否能相信一个没有经验基础的理论?

在研讨会的第三个下午,慕尼黑大学哲学家Radin Dardashti说,Dawid的哲学特别致力于确定哪些非经验主义论证是重要的,并允许科学家「不根据简单性来做出评估,而简单性并不以美作为基础。」Dardashti解释说,Dawid式的评估理应比这些度量更加客观,并且更能揭示出一个理论真正的前景。

Gross说Dawid「优美地描述了」物理学家们用来「获取对推测、新想法和新理论的信心」的策略。

约翰霍普金斯大学80岁的老哲学家和科学史学家Peter Achinstein说:「你是指认为它是真实的信心?认为它有用的信心?还是……」

「让我们对信心做一个可操作的定义吧,那就是:我会继续研究这个理论,」Gross说。

「这可真低,」 Achinstein说。

「对科学研究来说可不低了,」Gross said说。「这是很重要的问题。」

Kragh指出,即使是波普尔也清楚那种驱动弦理论学家的思维方式的价值。波普尔将无法得出可检验预测的推测称作「形而上学」,但是他认为这种活动很值得,因为未来它或许可能变得可检验。对原子理论来说,确实如此。19世纪时,许多物理学家都担心原子理论永远不能被经验证实。Kragh说:「波普尔并不是一个幼稚的波普尔主义者。如果一个理论不能被证伪,我们不应该放弃它。我们需要等待。」

但一些与会者对贝叶斯证实理论表达了担忧,特别是Dawid的非经验主义观点。

法国艾克斯-马赛大学的Carlo Rovelli是圈量子引力理论(弦理论的竞争对手)的支持者,他反对「贝叶斯证实理论无法区分科学家已肯定的理论与尚在检验中的理论之间的重要区别」的观点。贝叶斯主义「确认」原子100%存在,这是无数实验的结果。但是Rovelli说,原子理论的确认程度甚至不应该与弦理论使用相同的度量单位。弦理论的确认程度不及原子理论的10%;二者处于完全不同的状态。Rovelli 说:「Dawid的『非经验主义论证』的问题在于,它含混了重点。当然,许多弦理论学家非常乐意这样混淆重点,因为这样,他们就可以说弦理论已经被『确认了』。模棱两可。」

德国物理学家 Sabine Hossenfelder在她的演讲中论称,基础物理学的进步常来自于抛弃过去珍视的偏见(例如,自然界所有力必须统一。)Rovelli附和说:「Dawid的非经验主义确认方法对这种进步的可能性形成了阻碍,因为它只把我们的信任建立于自己过去相信的东西之上。」他继续说:「它带走了一些工具——或许带走了科学思考的灵魂自身,那就是『不要相信你自己的思考。』」

慕尼黑会议的内容或许将在2017年编撰和发表。根据Ellis的说法,这次会议的一个重要结果就是,参会的弦理论学家们一致认同,从证实的角度看,弦理论并没有被「确认」。Ellis在电邮中写到:「David Gross的观点很清楚:Dawid的标准对证明某些理论研究工作的合理性来说很有用,但并不是说这些理论已经用非经验主义的方法证实了。我认为,这似乎是一个不错的观点——清楚地说明,这是一个进步。」

在谈及理论学家应如何继续工作时,许多与会者都表达了同样的观点:弦理论和其他目前还无法检验的理论研究应当继续。Achinstein在会后的一封电邮中写到:「继续推测。积极进行推测,给出你的解释,但是必须承认它们只是可能的解释。」

「或许有一天,事情会发生改变,」Achinstein补充到。「或许推测会变得可检验;或许也不会,永远不会。」我们可能永远无法确认宇宙运转的方式。他说:「但是,或许你能把可能性减少到少数几个。我认为这也是某种进步。」

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