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(tài)度，史蒂芬·霍金在《大設計》一書中，開篇就寫道：“哲學已經(jīng)死了。”正因為如此，2015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(zhuǎn)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。”（意為哲學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(jù)現(xiàn)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(zhàn)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(zhàn)”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(fā)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(fā)現(xiàn)的自然現(xiàn)象進行預測，而后經(jīng)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(fā)現(xiàn)，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(tǒng)一自然界四種基本相互作用的“大統(tǒng)一理論”。實際上，弦理論已經(jīng)在數(shù)學上統(tǒng)一了這四種相互作用，但也僅僅是在數(shù)學上。弦理論除了提供一種漂亮的數(shù)學形式之外，并未對自然現(xiàn)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(jù)實驗結果進行調(diào)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)學形式上的美感來作為證據(jù)說明弦理論的正確性，這自然讓人聯(lián)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(tài)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(tài)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(shù)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(shù)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(jīng)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(shù)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(guī)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(zhì)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(xù)的狀態(tài)，具有概率性，在0和100%之間徘徊，隨著證據(jù)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(jīng)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(jīng)證實之前，人類究竟應該對其持什么樣的態(tài)度？目前看來，只有耐心等待，在未來或許就可以出現(xiàn)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(xù)他們的理論研究，而其他人將會繼續(xù)質(zhì)疑。科學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）