一场关于物理学本质的争论:实验是检验科学的唯一标准吗?

作者: 马西莫·皮柳奇

来源: 微信公众号“环球科学ScientificAmerican”

发布日期: 2016-09-02

本文探讨了弦理论在科学界引发的争议,特别是关于实验在科学验证中的作用。文章通过回顾卡尔·波普尔的科学哲学理论,特别是他的可证伪性标准,分析了弦理论是否应被视为科学的问题。同时,文章也讨论了现代物理学家对哲学的态度,以及科学和伪科学之间的界限问题。

为了统一广义相对论和量子力学而建立的弦理论,与其说是能被证实或证伪的理论,不如说更接近“一个笼统的数学框架”。不管是振动着的超弦,折叠的多维时空,还是理论的其他部分,所有的这些都不可能通过实验的方法来证实或证伪。那么问题来了,无法通过实验验证的理论,还能叫做科学吗?

数十年前,最具影响力的科学哲学家之一卡尔·波普尔(Karl Popper)陈述了这样一个结论:广义相对论是可靠的科学,而弗洛伊德的精神分析是伪科学。波普尔对于如何划分科学与非科学(non-science),尤其科学和伪科学(pseudoscience)之间界限的问题怀有极大的兴趣,他将这个问题称为“分界问题”(demarcation problem)。

经过长时间的痛苦思考,波普尔得出了一个简单的区分“科学”与“非科学”的评判标准:可证伪性(falsifiability)。即如果某一观念可以——至少从原则上可以——被证明是错误的,那么我们就可以说这个观念是科学的,即使这个观念最后被发现真的是错误的。

1919年的日全食在全世界的见证下证明了爱因斯坦理论的正确性,也深深地影响了波普尔,他认为,爱因斯坦的理论就是“好的科学”(good science)的典范。

下文是他在《猜想与反驳》(Conjectures and Refutations, 1963)一书中的节选,他以爱因斯坦的广义相对论和弗洛伊德、阿德勒(个体心理学派创始人)的理论为例,说明了科学与伪科学的区别:我们可以清楚地看到,爱因斯坦的理论符合可证伪性的判断标准。即使我们现有的测量手段无法让我们确定它得出的结论是正确还是错误,但至少它的结论存在被否定的可能性。

而弗洛伊德和阿德勒的精神分析理论则不一样:它们无法检验,也无法被证伪——没有任何一种可设想的人类行为可以反驳它们,证明它们是错误的。就我个人而言,我不否认他们的部分理论可能很重要,也不否认这些理论有一天也许能够在心理学这门实验科学中起到一些作用。但也止步于此,我不认为这些分析学家们以“临床观察”为依据得出的理论,能比占星学家们每天占卜得到的结论有什么更高明的地方。

然而,后来人们发现,波普尔所高度赞扬的1919年验证广义相对论的日全食实验,其过程很可能没有他想象的那么无懈可击。有学者在回顾历史长河,探究当时的细节时,发觉爱因斯坦理论的早期构想中其实存在一个计算错误——这个计算错误,使得该理论预言的光受大质量物体(比如太阳)作用而弯曲的角度比真实值多出了一倍,而科学家们在日全食中测量并引为理论证明依据的物理量,正是光的弯曲度。

所以,如果日全食实验在1914年进行(它原本计划就是在这一年进行的,只是被一战耽搁了),爱因斯坦当时的理论就会被证明是错误的。不仅如此,在爱因斯坦已经修正了计算错误,提出了最终版的广义相对论之后,1919年的日全食实验其实也包含着相当大的误差。为了得到最理想的验证实验数据,当时主持实验的首席天文学家之一——亚瑟·爱丁顿爵士(Arthur Eddington),很可能人为挑选了采集到的实验结果。

这个故事告诉我们,科学和生活一样复杂,完美的“干净结果”是可遇不可求的。

关于波普尔的理论我们就讲到这里,但是读者们不禁会问,无论波普尔多么声名卓著,他提出这一理论毕竟也是上个世纪初的事情了,那为什么直到今天,他的理论还吸引了这么多关注呢?这就不得不提到另一个概念:弦理论(string theory)了。

这个名词或许对你来说并不陌生,近几十年来,基础物理学家们一直围绕着“弦理论”团团转,将它视为解释自然界所有物质及其相互作用的终极理论——也即诺奖获得者史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)口中的“万有理论”(a theory of everything)的候选。

显然,“万有理论”这个名词不能单纯从字面上去理解,而且严格来说,“弦理论”甚至还不能算作是一门“理论”——如果我们将“理论”这个词定义为一套成熟的概念体系(译者注:此指经过验证的、合乎逻辑的推论性总结),比如进化论和大陆漂移学说这类的话。

事实上,目前而言,弦理论与其说是理论,不如说更接近“一个笼统的数学框架”,这是我们现有的、已知的、从数学的角度来说最复杂的一个框架,其目的是为了解决近代物理学的根本问题:如何统一广义相对论和量子力学。广义相对论和量子力学都是非常成功的科学理论,但是当它们解决一些特定条件下的物理问题——比如黑洞或奇点(宇宙大爆炸之前的宇宙起源点)——时,彼此间就会产生尖锐的冲突。

物理学家们已经达成了共识:既然广义相对论和量子力学两者之间存在不可调和的矛盾,那么一定至少有一者是错误或不完善的。他们找到的解决问题的方法之一就是弦理论:它把两者都划归到一个更大的理论框架之下。这是个美好的构想,只有一个问题:一些基础物理学家们信誓旦旦地声称弦理论不仅是项颇有前景的科学理论,甚至可能是唯一的真理;另一些科学家们却对此嗤之以鼻,他们认为“弦理论”根本不能算是科学。

他们的论据也非常充分:弦理论和任何实验性的证据都毫无交集——不管是振动着的超弦,折叠的多维时空,还是理论的其他部分——所有的这些都不可能通过实验的方法来验证。

这场直率而又硝烟味十足的公开论战并不奇怪,它完全反映了当今享誉学界的科学家对于哲学的态度:有的人试图使用一些哲学概念,有的人则简单地摒弃一切哲学思考,而不管是前者还是后者,其实都没有真正地搞清楚这些哲学观念。

在弦理论战争中,他们对波普尔的科学哲学和它在“分界问题”上的应用只是一知半解罢了。现今相当一部分科学家(尤其是物理学家)不怎么看得起哲学这门学科,对于我这个在中年危机后“半路出家”为哲学家的“前科学家”而言,这是件非常讽刺的事情。

早在几年前,斯蒂芬·霍金就宣称哲学已死,物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)则嘲讽哲学会让他想起上世纪美国喜剧演员伍迪·艾伦(Woody Allen)的黑色幽默:“那些干不了大事的人,就跑去教书;那些教不了书的人,就去教体育。

”科普工作者尼尔·德葛拉斯·泰森(Neil deGrasse Tyson)和比尔·奈(Bill Nye)也双双对哲学提出质疑,他们认为年轻人大学选择哲学这个专业是在浪费宝贵的青春。

不过客观来说,爱因斯坦关于哲学的这些观点,即使在当时也并不具有代表性,所以在今天也不见得会有什么现实意义,更不用说弦物理学家们只占物理学界的一小部分,而会在推特上留言的就更少了——他们可能只是弦物理学家这一小类群体中比较健谈的那一部分。

由此可以看出,他们对哲学的抨击其实并不能代表物理学界的整体态度,然而糟糕的是,由于参与这场讨论的都是学术领域的顶尖人才,他们很容易让大众产生误解——因为并不了解这个领域的普通围观群众(甚至研究其他课题的物理学家)只有通过科学家们在公众媒体、科普杂志上轰轰烈烈的辩论来了解弦论这一宏大课题。

波普尔的工作,与其说是回答了“分界问题”,不如说是以一己之力将“分界问题”放上科学哲学界的版图,并号召哲学家们为了哲学领域的健全发展,努力界定什么是科学,什么不是。

这种格局一直持续到了1983年,这一年著名科学哲学家拉里·劳登(Larry Laudan)发表了一篇名为《分界问题的终结》(The Demise of the Demarcation Problem)的论文,在这篇影响巨大的论文里,劳登声称,解决分界问题对哲学家们来说完全是浪费时间。

他在文章中列举了一系列理由以论证他的观点,其中最重要的一条便是,对于任何人来说,找全所有界定“科学”、“伪科学”、或是其它类似事物的充要条件组成的集合都是绝对不可能的——而若是找不全这些充要条件,完全严格地区分科学与伪科学简直就是天方夜谭。

所以紧接着,一个更大层面上的问题便是,这到底是标志着一个全新科学领域的起始边缘,抑或只是后人眼中漫长科学史的一次短暂停顿?有没有这样的可能:基础物理的终结并不是由于我们已经知道了想要知道的一切,而是因为我们的智力和技术水平已经达到了极限?这些都是非常严肃的问题,不仅物理学家和哲学家们应该思考,普通大众也该好好想想清楚,毕竟为基础物理学以及其他研究提供资金的,归根到底还是普通大众。

在这场关于运用及误用科学哲学原理的弦理论论战中,让我感到离奇的是,无论科学家还是哲学家,都在积极地从社会上吸引更多的支持者。我不禁遗憾,要是他们能停止无意义的互相争论,而是合作起来发挥集体的智慧,那该有多好。

比起用各种不专业的术语互相攻击,他们本应精诚合作——当然,仅仅追求更好的科学是不够的,他们还应驱逐真正的伪科学:比如顺势疗法(Homeopaths,此理论指如某物质能在健康的人身上,引起病人患某病时的病症,将此物质稀释震荡处理后就能治疗该病症)或是灵媒等等,这类的显而易见的伪科学仍然阴魂不散地从人们那里骗取大量的钱财,在愚弄着人们的同时,更损害着他们的身心健康。

这些才是真正值得学术界去仔细批评分析、并公之于众的,何况这也是知识分子和科研人员(无论是物理还是哲学)的责任——尽他们最大的努力去改善社会,因为正是这样一个社会支持着他们,让他们得以专心研究认识论或是理论物理这样艰涩的学科。

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