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想法丨发现丨知识丨趣味 网罗互联网精华，就在每日译言 Sabine Hossenfelder是法兰克福高级研究所的一名研究员，她对量子引力的现象学十分有兴趣。她的文章大量发表在《福布斯》《科学美国人》和《新科学家》等杂志上。2018年，她还发表了自己的著作《数学迷失：美丽如何让物理学误入歧途》。 谁会拒绝一个好主意呢？物理学家们就是个例外，在物理学的基础上结合令人愉悦的美学的假设已经成为公认的实践。物理学家认为，动机有时并不重要，因为假设必须得到科学的验证，但他们的大多数的美好想法都很难或不可能得到验证。当自己的实验空手而归时，物理学家可以通过继续修正他们的理论来改进零结果的实验。 这种情况已经持续了大约40年。在这40年里，关于美学的争论已经发展成为正式的研究项目—如超对称、多元宇宙和大统一这些等待验证的理论吸引了成千上万的科学家投身其中。在这40年里，社会上花费了数十亿美元在这些实验上，却没有发现任何事实证据可以支持这些美好的想法。在这40年里，物理学的基础其实并没有取得重大突破。 我的同事认为审美标准是基于经验的基础上的。我们目前拥有的最基本的理论——粒子物理学的标准模型和阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论——在特定的方面是美的。 我也赞同可以试着假设更多的基本理论在某些方面也是具有美学特征的，但这一切在尝试之后仍是徒劳。尽管如此，物理学家们仍在根据三个美学标准选择相应的理论：简单、自然和优雅。 简单，不是指奥卡姆剃刀定律式的简单，它是指在两个需要实现相同目标的理论中，你选择其中一个更简单的。你也可以理解为绝对简单：对我的同事来说，当有些理论看起来还不够简单的时候，他们就会试图让它们变得更简单——通过把几种力统一或者假设有新的对称，将粒子组合成有序的集合。 第二个标准是自然。自然是一种试图摆脱人为因素的尝试过程，它要求一个理论不应该看起来像是被精心挑选过的一样。这一准则通常适用于没有单位的常数值，例如基本粒子质量比。自然要求这样的数字应该接近1，要不理论就要解释为什么事实不是这样的。 最后是优雅这个标准，这是最后一个也是最难以捉摸的一个。它通常被描述为简单和惊喜的结合，在某方面揭示了新的联系。我们在“啊哈效应”(Aha effect)中找到了一些优雅的痕迹，也就是事情在进入新的状态时让人顿悟的时刻。 物理学家认为，这三个标准中只要有一个是合乎美学的，那么上面的理论就是有希望的。这使得他们可以大胆预测质子应该能够衰变。自上世纪80年代以来，实验室一直在寻找这种物质，但迄今为止还没有人发现质子衰变的过程。 理论家还预测，我们应该能够探测到暗物质粒子，比如轴子或弱相互作用的大质量粒子(WIMPs)。我们已经委托了给许多机构大约几十个实验，但还没有发现任何假设的粒子存在——至少目前还没有。 许多一样的对称和自然标准让许多物理学家相信，大型强子对撞机(LHC)应该可以看到希格斯玻色子之外的新物质，比如所谓的“超对称”粒子或额外空间维度，但对这些东西的探索到目前为止也没有任何进展。 在这个项目变得荒谬之前，你还能让它走多远 ?如果你让一个理论变得越来越简单，它最终会变得不可预测，因为这个理论会缺乏足够的信息来让相关人员进行计算。大家现在知道的是理论家们所称的“多元宇宙”——一个有着不同自然规律的无限宇宙的总称。 例如，你使用万有引力定律而不通过测量确定牛顿常数的值，可以说你的理论包含了一个宇宙中任何常数的值。当然，你必须假设我们生活在一个这样的宇宙，它的值正好是牛顿常数。正因为以上情况，理论家现在才可以写关于大量新宇宙的论文。更好玩的是，其他的宇宙空间都是不可观测的，因此多元宇宙理论在实验测试中是可行的。 我认为我们该从科学史中吸取教训了。对美的向往并不能成为理论发展的向导。许多看起来很美的假设都是错误的，比如约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)的观点：行星轨道堆积在规则的多面体中，即所谓的“柏拉图固体”，还有原子在看不见的以太中纠缠打结，宇宙处于“稳定状态”而不是在扩张和膨胀。 其他一些曾经被认为是丑陋的理论也经受住了时间的考验。当开普勒认为行星是沿着椭圆而不是圆运动时，同时代的人以这个理论为耻，并认为那不可能是真的。物理学家詹姆斯·麦克斯韦在后来拒绝接受自己创立的关于电场和磁场的理论，因为在他那个年代，这些关于美的标准涉及齿轮和螺栓的打造。 保罗·狄拉克指责麦克斯韦理论的进化版本很丑陋，因为去掉不定式需要复杂的数学运算。然而，那些被认为是丑陋的想法往往是正确的，它们至今仍在被使用，我们也不再觉得它们丑陋。 历史还给人类多上了一课。尽管对于许多物理学家来说，追求美感可以说是一种强大的个人动力，但关于理论突破的问题大多是关于数学上的矛盾而非美学。 例如，爱因斯坦废掉了绝对时间这一概念，因为它与麦克斯韦的电磁学相矛盾，从而创造了狭义相对论。然后他解决了狭义相对论和牛顿引力之间的矛盾，牛顿引力又给了他广义相对论的灵感和定义。 狄拉克在后来消除了狭义相对论和量子力学之间的分歧，这直接让量子场论得到了发展，今天我们仍然在粒子物理学中使用量子场论这一理论。 希格斯玻色子也是出于逻辑一致性的需要而诞生的。2012年，在大型强子对撞机上发现的希格斯玻色子是标准模型发挥作用必需的条件之一。如果没有希格斯粒子，粒子物理学家的计算返回的概率大于1，这是无法描述现实的作废的数学计算。 当然，数学没有告诉我们它一定是希格斯玻色子，它也可能是别的什么东西。但我们知道在LHC还没有建成之前，就会有很多新的事情发生，这些事建立在坚实数学基础上的推理。 另一方面，超对称粒子很美，但不是我们必须的。它们被创造出来是为了弥补当前理论的审美缺陷，即缺乏自然性。一个不是超对称的理论在数学上没有错，只是没有那么美观。粒子物理学家利用超对称性来弥补这一不足，从而使这个理论更加美观。因此，超对称粒子应该会出现在大型强子对撞机上的预测是基于希望而不是合理的逻辑推理，迄今为止这些粒子还没有被发现。 我从这一长串的结果中得出的结论是，当物理学试图纠正人们对美的忽略时，我们就会把时间浪费在那些根本不是问题的问题上。现在，在我们开始讨论这个世界是否需要下一个更大的粒子对撞机或对另一个暗物质展开探索之前，物理学家们必须重新考虑他们的思考方式。 当然，答案不会让所有的事物都得到发展，新理论应该本着解决现有问题的原则来进行发展——只是这些问题本身还没有被清楚的描绘出来，不足以让这个标准发挥作用。在物理学论证和推理的领域中，概念和哲学基础是相对薄弱的，这必须得到改进。 要求自然符合我们对美的幻想是没有用的，那也不会是好的科学实践。我们应该让证据引导我们走向探索新的自然法则的道路，我相信肯定会有很美的东西在那等着我们。 作者：Sabine Hossenfelder |
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