苗千：尋找科學的靈魂

苗千

如今物理學家對哲學家彬彬有禮的場景實在是不多見。物理學家們甚至很少去掩飾自己對于哲學的傲慢態度，史蒂芬·霍金在《大設計》一書中，開篇就寫道：“哲學已經死了?！闭驗槿绱耍?015年12月7日至9日在德國慕尼黑大學舉辦的一個物理學研討會上，2004年諾貝爾物理學獎得主戴維·格羅斯（David Gross）面對全場100多位理論物理學家、哲學家和歷史學家，仍然轉述了費曼那句著名的論斷：“科學家需要哲學，就像是鳥兒需要鳥類學家一樣?！保ㄒ鉃檎軐W對于科學研究毫無價值。）

話雖如此，這么多的理論物理學家、哲學家和歷史學家聚到一起，仍然會顯得很不尋常。這些人在慕尼黑大學參加一個名為“為什么相信一個理論？根據現代物理學重新思考科學方法論”（Why Trust a Theory？Reconsidering Scientific Methodology in Light of Modern Physics）的研討會。物理學家們，或者說是理論物理學家們越來越感受到了危機，他們不得不與哲學家和歷史學家們站在同一條戰線，一起討論這個老問題的新答案：什么是科學？如何判斷一個理論是否成立？

這個研討會由著名物理學家喬治·埃利斯（Geroge Ellis）和喬·西爾克（Joe Silk）共同舉辦，他們甚至喊出“為科學的靈魂而戰”這樣的口號。什么是物理學？什么才是一個可信的科學理論？一個永遠都無法得到驗證的理論對物理學有什么用處？科學與偽科學之間的界限究竟在哪里？美感究竟能不能成為判斷一個理論是否成立的標準？隨著理論物理學的發展，弦論、多重宇宙理論，以及其他一些可能永遠都無法得到驗證卻又迷人的理論，讓物理學家們感受到了前所未有的迷惑。

物理學是在17世紀，牛頓力學誕生之后，才成為一門精確的學科，而檢驗一個物理學假說是否成立，是否最終可以成為進入教科書的科學理論，在學術界一直有一個明確的標準：一個理論必須對人們此前沒有發現的自然現象進行預測，而后經過實驗反復驗證，才能夠被科學界所承認和接受。但是理論物理學家們發現，最新的物理學理論，正在逼近自然的極限，幾個世紀以來物理學家們所習慣的方法論似乎不再適用了。

人類對于宇宙的觀察越來越趨于極限。目前物理學界廣為人知，在流行文化中廣泛傳播的一些理論，描述的正是這些趨于極限的領域。弦理論被眾多理論物理學家寄予厚望，認為它是目前唯一一個可能統一自然界四種基本相互作用的“大統一理論”。實際上，弦理論已經在數學上統一了這四種相互作用，但也僅僅是在數學上。弦理論除了提供一種漂亮的數學形式之外，并未對自然現象進行任何預測，因此很難通過實驗對其進行驗證（它可以根據實驗結果進行調整）。那么，弦理論是否可以被認為是一種“科學理論”？除此之外，我們還有其他什么選擇？

與之類似，還有目前廣為流行的“多重宇宙”（Multiverse）理論。這個理論可以解決現在宇宙學家們面對的諸多難題，但是對于一個只提供解釋，無法驗證，也無法預測新現象的理論，它怎么樣才能獲得所有宇宙學家的信心？

一個正確的科學理論，是否一定要具有某種美感？或者說，在無法被驗證的情況下，物理學家們能否通過一個假說在形式上的“美感”來判斷它的對錯？事實上，很多弦論學家正是以弦論在數學形式上的美感來作為證據說明弦理論的正確性，這自然讓人聯想起愛因斯坦在推出廣義相對論之后，對于這個理論強烈的信心（即便如此，人們也是在廣義相對論被實驗驗證之后才接受了它）。問題在于，人類對于美感的判斷標準不同，而且漂亮的理論未必總是站得住腳。相比于一個正在加速膨脹的宇宙模型來說，一個靜態的、一成不變的宇宙模型顯然更具美感，但是宇宙學的觀測結果無情地打破了靜態宇宙模型。在19世紀末期，一種理論認為在宇宙空間中充斥著以太，而空間中的原子就是以太的“頂點”（Vertox）。這個理論不僅可以解釋當時的各種物理學難題，同時也具有數學上的美感，當時一些物理學家認為，這個完美的理論可以讓數學家忙上幾個世紀，但接下來的結果顯示，宇宙中并沒有以太的存在，“原子頂點”理論自然也就無法成立。

從古希臘時代算起，人類為了驗證原子學說，歷經了幾千年的時間，但是對于弦論和多重宇宙理論，情況可能還有不同，很多物理學家認為即使是在理論上，人類也不可能對其進行驗證。人類要觀察的尺度越小，所需要的能量就越大，正是因為如此，人類粒子對撞機的直徑才越來越大，所耗費的能量也越來越高。人類所觀察到的尺度與需要耗費的能量之間呈指數關系，而弦論所描述的是在普朗克尺度下——也就是宇宙中最小尺度下的物理學，其所需要的能量即使是在理論上人類也永遠都無法達到。與之類似的是多重宇宙理論，人類不可能制造出一款太空望遠鏡，越過自身所在的宇宙范圍，去觀察另外一個與我們的宇宙有著截然不同物理學規則的另一個宇宙。

可證偽性一直是判斷科學理論的唯一標準。在20世紀30年代，卡爾·波普爾（Karl Popper）提出了科學與偽科學之間的分界線。一個理論只有在可以被證偽的情況下，才有可能成為一個科學理論。他以愛因斯坦和弗洛伊德的理論做對比，廣義相對論盡管提出了令人感到匪夷所思的結論，但是因為其可以被實驗驗證，并且通過了檢驗，因此它是科學理論；而一個人在成年之后的任何行為，似乎都可以歸結于受其童年時代母親的影響，這個結論無法驗證，因此也就不屬于科學理論。但是這樣一條鑒定科學與非科學的鐵律，如今也受到了質疑。哲學家馬西莫·皮柳奇（Massimo Piglucci）認為，可證偽性并不全面。人們對于一個理論的信心，很大程度上是一個連續的狀態，具有概率性，在0和100%之間徘徊，隨著證據的不斷增加，人們依照概率來判定一個理論是否算作科學理論，這被稱為“貝葉斯方法”（Bayesian Method）。

是否可以通過貝葉斯方法來判定弦理論是否屬于科學理論？人類科學研究是否已經進入到了一個新的階段，需要全新的科學理論和科學方法的定義？在一個理論未經證實之前，人類究竟應該對其持什么樣的態度？目前看來，只有耐心等待，在未來或許就可以出現驗證這些理論的方法。相信弦論和多重宇宙理論的物理學家們將會繼續他們的理論研究，而其他人將會繼續質疑?？茖W將會以我們無法預想的方式前進。

（本文寫作參考了《Quanta Maga-zine》的報道）