弦理論是科學嗎？

達維德·卡斯泰爾韋奇+田也

弦理論是科學嗎？10年來，圍繞這一問題，物理學家和宇宙學家一直在辯論。現在，人們將目光轉向哲學以尋求幫助。

2015年12月7日至9日，在由慕尼黑數學哲學中心和阿諾德·索末菲理論物理中心組織的一次旨在指責理論物理學遠遠背離實驗科學的特殊會議上，一些長期對哲學不滿的物理學家與哲學家碰面了。組織者稱，會議的中心議題是科學方法的整體性以及科學在公眾中的聲譽。

會議是在德國慕尼黑路德維希馬克西米利安慕尼黑大學召開的。此次研討會召開的直接起因是 2014年《自然》上刊登的一篇文章。在這篇文章中，南非開普敦大學的宇宙學家喬治· 埃利斯和約翰· 霍普金斯大學的天文學家約瑟夫· 西爾克哀嘆理論物理中出現了一個“令人擔憂的轉向”。

“在將基礎理論應用到已觀測宇宙時遇到的困難面前，”他們寫道，“一些科學家認為，如果一個理論很美妙而且經得住解釋，就不需要通過實驗進行驗證。”

文章討論的第一個問題是可實驗性。正如科學哲學家卡爾·波普爾20世紀30年代提出的那樣，對一個即將被認定為正確的科學理論，科學家必須通過實驗對該理論進行證偽。埃利斯和西爾克在文章中指出，在某些領域，一些理論物理學家已經偏離了這個指導性原則，甚至公然辯稱理論物理不應該受制于該原則。

兩人將弦理論作為例子進行討論。該理論用無窮小的細弦替換基本粒子，來調和那些描述引力和量子世界的理論之間的矛盾。弦太過微小，無法使用現代技術對其進行探測。然而，一些人爭辯說，無論實驗能否對其結果進行測量，弦理論都是一個值得追求的理論。原因很簡單：它似乎是解開諸多疑惑的“良藥”。

此外，西爾克和埃利斯還引用了另一個似乎已拋棄“波普爾主義”的理論：多重宇宙理論。多重宇宙理論認為，大爆炸產生了多個宇宙，其中大多數與我們的宇宙完全不同。

但在研討會開幕式的講話中，加利福尼亞大學圣巴巴拉分校的理論物理學家大衛· 格羅斯對這兩種理論進行了區分。他認為，弦在原則上是可被測試的，因此弦理論當然是完美的科學理論。而多重宇宙的概念就棘手多了，因為從我們的宇宙根本觀察不到它假設的宇宙，甚至在理論上也不可能觀察到。“僅憑當前無法對其進行檢測就認定（弦理論）不是科學實在荒謬至極。”格羅斯說。他因在強核力方面的研究獲得了2004年的諾貝爾物理學獎，而且對弦理論做出了突出貢獻。

參會者卡羅爾·羅維里是法國艾克斯- 馬賽大學的一位理論物理學家。他認為，目前雖然尚無法對弦理論進行檢驗，但并不代表它不值得理論物理學家為之付出努力和時間。埃利斯和西爾克的矛頭直指路德維希馬克西米利安慕尼黑大學的理查德·戴維所寫的《弦理論與科學方法》（劍橋大學出版社，2013年）中的觀點。戴維在書中寫到，弦理論家已經開始遵循貝葉斯統計原則，即在先驗信息的基礎上預測某一假設正確的可能性，然后隨著必要信息的不斷增多對預測進行修正。然而，戴維發現，物理學家已經開始傾向于使用純理論因子，比如通過理論的內部一致性或在沒有可替代方案的情況下對預測進行修正，而嚴肅的做法應該是基于實際數據對預測進行修正。

在這次會議上，格羅斯與羅維里產生了激烈的爭吵。前者認為，正是因為缺乏替代方案才使弦理論正確的可能性更大；后者多年來致力圈量子引力的研究，斷然否認沒有可行的替代方案的說法。與此同時，埃利斯拒絕承認理論因子可以提高理論的可靠性。他說：“我對貝葉斯主義的回答是：新的證據必須是實驗證據。”

其他人圍繞貝葉斯統計學對弦理論的作用展開了獨立討論。斯德哥爾摩北歐理論物理研究所的物理學家薩賓·赫森費爾德爾認為，弦理論的普及可能加深了一種印象，即認為它是物理學的唯一選擇。但是弦理論的普及也可能得益于社會學因素，她舉了一個例子：很多年輕學者已經將自己的研究方向轉到弦理論，因為從工作前景來看，在這一領域搞研究顯然要比在那些鮮為人知的領域搞研究有前途得多。

約瑟夫·西爾克

科學史學家、丹麥奧胡斯大學的赫爾奇·克勞從歷史角度表達了自己的觀點。他說：“以前也曾提出過多個‘新科學方法的建議，但是用其他標準來替代經驗檢驗法的嘗試總是以失敗告終。”他還補充說：“至少這個問題在某些物理學領域就是如此，弦理論和多重宇宙理論只不過是多數物理學家研究的一個小領域而已。”

這種安慰對羅維里來說遠遠不夠，他堅持認為應該明確劃分已被實驗證實的理論和尚在檢驗中的理論。他說：“當你走在街上，忽然有人攔住你說，‘你不知道世界是由弦構成的，而且存在平行宇宙嗎？這種感覺非常糟糕。”

會議結束時，物理學家的觀點似乎并沒有達成一致。與西爾克、埃利斯共同組織會議的戴維說，他并不希望人們能從根本上改變自己的立場，而是希望通過接觸不同領域，能讓彼此“稍微緩和一點”。埃利斯認為，更有效的形式，比如為期兩周的暑期學校，或許更有利于達成共識。