一场关于物理学本质的争论

作者: 马西莫·皮柳奇(Massimo Pigliucci)

来源: 环球科学

发布日期: 2016-09-12 09:52:04

本文讨论了弦理论在科学界引发的争议,特别是关于其是否能通过实验验证的问题。文章回顾了卡尔·波普尔的科学哲学观点,特别是他对可证伪性的强调,以及这一观点如何影响了科学界对广义相对论和弦理论的看法。此外,文章还探讨了弦理论作为“一个笼统的数学框架”而非成熟理论的地位,以及它在物理学界引发的争论。

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。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(看上图)。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。

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