苗千：尋找科學(xué)的靈魂

苗千

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

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

這個(gè)研討會(huì)由著名物理學(xué)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(xué)的靈魂而戰(zhàn)”這樣的口號。什么是物理學(xué)？什么才是一個(gè)可信的科學(xué)理論？一個(gè)永遠(yuǎn)都無法得到驗(yàn)證的理論對物理學(xué)有什么用處？科學(xué)與偽科學(xué)之間的界限究竟在哪里？美感究竟能不能成為判斷一個(gè)理論是否成立的標(biāo)準(zhǔn)？隨著理論物理學(xué)的發(fā)展，弦論、多重宇宙理論，以及其他一些可能永遠(yuǎn)都無法得到驗(yàn)證卻又迷人的理論，讓物理學(xué)家們感受到了前所未有的迷惑。

物理學(xué)是在17世紀(jì)，牛頓力學(xué)誕生之后，才成為一門精確的學(xué)科，而檢驗(yàn)一個(gè)物理學(xué)假說是否成立，是否最終可以成為進(jìn)入教科書的科學(xué)理論，在學(xué)術(shù)界一直有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)：一個(gè)理論必須對人們此前沒有發(fā)現(xiàn)的自然現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測，而后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，才能夠被科學(xué)界所承認(rèn)和接受。但是理論物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，最新的物理學(xué)理論，正在逼近自然的極限，幾個(gè)世紀(jì)以來物理學(xué)家們所習(xí)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(xué)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(lǐng)域。弦理論被眾多理論物理學(xué)家寄予厚望，認(rèn)為它是目前唯一一個(gè)可能統(tǒng)一自然界四種基本相互作用的“大統(tǒng)一理論”。實(shí)際上，弦理論已經(jīng)在數(shù)學(xué)上統(tǒng)一了這四種相互作用，但也僅僅是在數(shù)學(xué)上。弦理論除了提供一種漂亮的數(shù)學(xué)形式之外，并未對自然現(xiàn)象進(jìn)行任何預(yù)測，因此很難通過實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證（它可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整）。那么，弦理論是否可以被認(rèn)為是一種“科學(xué)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(gè)理論可以解決現(xiàn)在宇宙學(xué)家們面對的諸多難題，但是對于一個(gè)只提供解釋，無法驗(yàn)證，也無法預(yù)測新現(xiàn)象的理論，它怎么樣才能獲得所有宇宙學(xué)家的信心？

一個(gè)正確的科學(xué)理論，是否一定要具有某種美感？或者說，在無法被驗(yàn)證的情況下，物理學(xué)家們能否通過一個(gè)假說在形式上的“美感”來判斷它的對錯(cuò)？事實(shí)上，很多弦論學(xué)家正是以弦論在數(shù)學(xué)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(gè)理論強(qiáng)烈的信心（即便如此，人們也是在廣義相對論被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后才接受了它）。問題在于，人類對于美感的判斷標(biāo)準(zhǔn)不同，而且漂亮的理論未必總是站得住腳。相比于一個(gè)正在加速膨脹的宇宙模型來說，一個(gè)靜態(tài)的、一成不變的宇宙模型顯然更具美感，但是宇宙學(xué)的觀測結(jié)果無情地打破了靜態(tài)宇宙模型。在19世紀(jì)末期，一種理論認(rèn)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(diǎn)”（Vertox）。這個(gè)理論不僅可以解釋當(dāng)時(shí)的各種物理學(xué)難題，同時(shí)也具有數(shù)學(xué)上的美感，當(dāng)時(shí)一些物理學(xué)家認(rèn)為，這個(gè)完美的理論可以讓數(shù)學(xué)家忙上幾個(gè)世紀(jì)，但接下來的結(jié)果顯示，宇宙中并沒有以太的存在，“原子頂點(diǎn)”理論自然也就無法成立。

從古希臘時(shí)代算起，人類為了驗(yàn)證原子學(xué)說，歷經(jīng)了幾千年的時(shí)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(xué)家認(rèn)為即使是在理論上，人類也不可能對其進(jìn)行驗(yàn)證。人類要觀察的尺度越小，所需要的能量就越大，正是因?yàn)槿绱耍祟惲Ｗ訉ψ矙C(jī)的直徑才越來越大，所耗費(fèi)的能量也越來越高。人類所觀察到的尺度與需要耗費(fèi)的能量之間呈指數(shù)關(guān)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(xué)，其所需要的能量即使是在理論上人類也永遠(yuǎn)都無法達(dá)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(yuǎn)鏡，越過自身所在的宇宙范圍，去觀察另外一個(gè)與我們的宇宙有著截然不同物理學(xué)規(guī)則的另一個(gè)宇宙。

可證偽性一直是判斷科學(xué)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在20世紀(jì)30年代，卡爾·波普爾（Karl Popper）提出了科學(xué)與偽科學(xué)之間的分界線。一個(gè)理論只有在可以被證偽的情況下，才有可能成為一個(gè)科學(xué)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(jié)論，但是因?yàn)槠淇梢员粚?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且通過了檢驗(yàn)，因此它是科學(xué)理論；而一個(gè)人在成年之后的任何行為，似乎都可以歸結(jié)于受其童年時(shí)代母親的影響，這個(gè)結(jié)論無法驗(yàn)證，因此也就不屬于科學(xué)理論。但是這樣一條鑒定科學(xué)與非科學(xué)的鐵律，如今也受到了質(zhì)疑。哲學(xué)家馬西莫·皮柳奇（Massimo Piglucci）認(rèn)為，可證偽性并不全面。人們對于一個(gè)理論的信心，很大程度上是一個(gè)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(gè)理論是否算作科學(xué)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(xué)理論？人類科學(xué)研究是否已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)新的階段，需要全新的科學(xué)理論和科學(xué)方法的定義？在一個(gè)理論未經(jīng)證實(shí)之前，人類究竟應(yīng)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(yàn)證這些理論的方法。相信弦論和多重宇宙理論的物理學(xué)家們將會(huì)繼續(xù)他們的理論研究，而其他人將會(huì)繼續(xù)質(zhì)疑?？茖W(xué)將會(huì)以我們無法預(yù)想的方式前進(jìn)。

（本文寫作參考了《Quanta Maga-zine》的報(bào)道）