多重宇宙理論可以繞過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嗎？

2014年以來(lái)，物理學(xué)界的爭(zhēng)論出現(xiàn)了一個(gè)令人擔(dān)憂的走勢(shì)。面對(duì)把基本理論應(yīng)用于可觀測(cè)宇宙時(shí)的困難，一些研究人員呼吁改變理論物理學(xué)中已有的一些信條。他們開始明確地提出，如果一個(gè)理論足夠優(yōu)美且能夠解釋現(xiàn)象，那么它不需要實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。這無(wú)疑打破了數(shù)百年來(lái)通過實(shí)證鑒定科學(xué)知識(shí)的哲學(xué)傳統(tǒng)。我們決不同意。如科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波普爾（Karl Popper）所說(shuō)，理論的科學(xué)性必須是可證偽的。

一些弦理論家是“優(yōu)美已足夠”的大力倡導(dǎo)者。由于弦理論據(jù)稱是“唯一”能夠統(tǒng)一四種基本力的理論，因此他們認(rèn)為它必定是真理，即便它依賴于我們無(wú)法觀測(cè)到的額外維度。一些宇宙學(xué)家也開始放棄對(duì)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基本假設(shè)的堅(jiān)持，這些研究領(lǐng)域包括多重宇宙（包含無(wú)數(shù)的宇宙）、量子現(xiàn)實(shí)的多重世界解釋（觀測(cè)行為會(huì)使得現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)平行的分支）和宇宙大爆炸之前。

這些無(wú)法證實(shí)的假說(shuō)和那些直接與現(xiàn)實(shí)世界相連且可以通過觀測(cè)檢驗(yàn)的——例如，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型以及暗物質(zhì)和暗能量的存在——截然不同。如我們所見，理論物理學(xué)正在冒險(xiǎn)進(jìn)入數(shù)學(xué)、物理和哲學(xué)之間的真空地帶，無(wú)法真正滿足任何要求。

可檢驗(yàn)性的問題已經(jīng)潛伏了十多年。在科普書籍和科學(xué)論文中，已經(jīng)有批評(píng)弦理論和多重宇宙的聲音。 2014年3月，理論物理學(xué)家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）在《自然》 雜志中寫道：“暴脹宇宙學(xué)理論已不再是科學(xué)，因?yàn)樗侨绱遂`活，可以與任何觀測(cè)結(jié)果相調(diào)和?！崩碚摷液驼軐W(xué)家理查德·戴維（RichardDawid）和宇宙學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）對(duì)這些批評(píng)進(jìn)行了反駁。

我們很贊同戴維、卡羅爾和其他物理學(xué)家將這個(gè)問題拿出公開討論。但是，他們崇尚的激進(jìn)步伐還需要仔細(xì)地推敲。這場(chǎng)關(guān)于物理學(xué)靈魂的論戰(zhàn)爆發(fā)于科學(xué)結(jié)果——從氣候變化到進(jìn)化論——遭到一些政客和宗教原教旨主義者質(zhì)疑之時(shí)?？茖W(xué)家和哲學(xué)家之間更深層次的對(duì)話必然要包含公眾對(duì)科學(xué)的信心，以及對(duì)基本物理學(xué)的本質(zhì)受到的潛在傷害的關(guān)注。

弦理論

弦理論是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的理論，通過在更高維空間中微小的（一維）弦和（高維）膜來(lái)統(tǒng)一現(xiàn)有的物理學(xué)。較高的維度都緊緊地卷曲了起來(lái)，尺度都太小，即便是未來(lái)的粒子對(duì)撞機(jī)也達(dá)不到探測(cè)它的能標(biāo)。

弦理論的某些方面原則上是可以通過實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)的。例如，在弦理論中引入了費(fèi)米子和玻色子間的對(duì)稱性——超對(duì)稱性——之后，它預(yù)言每種粒子都存在一個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的伙伴粒子。歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)任何伙伴粒子，對(duì)在超對(duì)稱性可能存在的能量范圍進(jìn)行了限定。如果這些伙伴粒子繼續(xù)不見蹤影的話，我們可能永遠(yuǎn)也無(wú)法知道它們是否存在。當(dāng)然，支持者總是可以聲稱，這些粒子的質(zhì)能比我們所能探測(cè)的質(zhì)能更高。

戴維認(rèn)為，弦理論的真實(shí)性可以通過對(duì)研究過程的哲學(xué)和概率論證來(lái)確立。他援引貝葉斯的理論，認(rèn)為如果一個(gè)理論“正確”或“可行”的概率在不斷提升，它就可以被認(rèn)為得到了確認(rèn)。這一概率的增加可以是純理論性的，因?yàn)椤皼]人能找到一個(gè)更好的方案”和“該理論沒有其他可行的替代方案 ”，于是他認(rèn)為弦理論應(yīng)該被視為是正確的。

在我們看來(lái)，這是“射門不成，移動(dòng)門柱”的做法。和通過觀測(cè)證據(jù)來(lái)佐證科學(xué)理論的信念相反，他認(rèn)為理論發(fā)現(xiàn)可以鞏固這一信念。然而，從數(shù)學(xué)邏輯得出的結(jié)論未必適用于現(xiàn)實(shí)世界。從宇宙的穩(wěn)恒態(tài)理論到粒子物理學(xué)中意圖統(tǒng)一弱電力和強(qiáng)力的SU（ 5 ）大統(tǒng)一理論，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明許多優(yōu)美而簡(jiǎn)單的理論是錯(cuò)誤的。波普爾和其他 20 世紀(jì)的哲學(xué)家已經(jīng)否定了不以事實(shí)為根據(jù)就推斷出真理的做法（歸納法優(yōu)越論）。

我們不知道是否有其他的理論。我們可能只是還沒有找到它們?；蛘撸@一提法可能就是錯(cuò)誤的。如果由時(shí)空曲率來(lái)描述的引力確實(shí)有別于統(tǒng)治粒子的強(qiáng)力、弱力和電磁力，那也許就沒有必要建立一個(gè)有關(guān)四種基本作用力和粒子的統(tǒng)一理論。有著眾多變體的弦理論本身甚至都沒有明確的定義：在我們看來(lái)，這是一張期票，也許會(huì)存在這樣一個(gè)統(tǒng)一理論。

許多的多重宇宙理論

驅(qū)動(dòng)多重宇宙理論發(fā)展的是一個(gè)謎題：為什么自然界基本常數(shù)——例如，描述粒子間電磁相互作用強(qiáng)度的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)和與宇宙加速膨脹有關(guān)的宇宙學(xué)常數(shù)——的數(shù)值恰好位于能使生命得以存在的小范圍之內(nèi)。多重宇宙理論認(rèn)為，還存在數(shù)十億個(gè)不可觀測(cè)的宇宙，在它們中，這些常數(shù)可以取一切可能的數(shù)值。其中一些會(huì)和我們的宇宙一樣適宜生命生存，另一些則不會(huì)。

一些物理學(xué)家認(rèn)為，多重宇宙是許多離奇巧合的最佳解釋。例如，宇宙學(xué)常數(shù)難以解釋的微小數(shù)值，它比量子場(chǎng)論的預(yù)言小了120個(gè)數(shù)量級(jí)。

多重宇宙的概念圖

2014 年年初，作為多重宇宙和多重世界假說(shuō)的倡導(dǎo)者，卡羅爾反駁了波普爾的證偽標(biāo)準(zhǔn)，將其稱為“鈍刀”。他提出兩個(gè)其他的要求：一個(gè)科學(xué)理論應(yīng)該是“確定性”的和“實(shí)證性”的。卡羅爾說(shuō)，“確定性”指的是這個(gè)理論“就現(xiàn)實(shí)如何運(yùn)轉(zhuǎn)有清晰和明確的表述”。對(duì)于“實(shí)證性”，他同意傳統(tǒng)的定義，即應(yīng)該通過解釋測(cè)量數(shù)據(jù)的能力來(lái)判斷一個(gè)理論是成功還是失敗。

他認(rèn)為，不可及的宇宙會(huì)對(duì)我們的宇宙產(chǎn)生“戲劇性的效果”，由此可以解釋為什么我們觀測(cè)到的宇宙學(xué)常數(shù)是如此之小。但在多重宇宙理論中，這一解釋可以不顧天文學(xué)家的觀測(cè)結(jié)果。宇宙學(xué)參數(shù)所有可能的組合會(huì)存在于某個(gè)地方，而這個(gè)理論本身也有許多可調(diào)的參數(shù)。其他理論，例如單模引力和修正了的愛因斯坦廣義相對(duì)論，也可以解釋為什么宇宙學(xué)常數(shù)很小。

有些人已經(jīng)提出了更易于檢驗(yàn)的多重宇宙理論。如果測(cè)量發(fā)現(xiàn)宇宙具有負(fù)的空間曲率，那就可以否定物理學(xué)家倫納德· 薩斯坎德（Leonard Susskind）提出的版本。不過，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)其他眾多的多重宇宙理論來(lái)說(shuō)并不能說(shuō)明什么。從根本上說(shuō)，多重宇宙的解釋依賴于弦理論，而弦理論本身還未經(jīng)證實(shí)，它還依賴于某種機(jī)制，能在不同的宇宙中實(shí)現(xiàn)不同的物理學(xué)。在我們看來(lái)，這絕不堅(jiān)實(shí)，更遑論可以檢驗(yàn)。

物理學(xué)家休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出的對(duì)量子現(xiàn)實(shí)的多重世界解釋是最終的量子多重宇宙，在其中，量子概率會(huì)影響到宏觀世界。根據(jù)埃弗雷特的觀點(diǎn)，在密閉的箱子里通過隨機(jī)放射性衰變放毒，每一只薛定諤的貓，其是生是死在自己的宇宙中是真實(shí)發(fā)生的。每當(dāng)你做出選擇，即使是再平常不過的選擇，比如說(shuō)向左走還是向右走，都會(huì)在量子真空中誕生出新的宇宙，以適應(yīng)其他的行為。

數(shù)十億個(gè)宇宙、星系和我們每個(gè)人的“副本”，無(wú)法相互建立通信，我們也無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。但是，如果在每一個(gè)多重宇宙中都有一個(gè)我的“副本”， 并且可能有無(wú)窮多個(gè)，那么哪一個(gè)才是我現(xiàn)在正在經(jīng)歷的真正的“我”？是否存在一個(gè)優(yōu)先于其他的“自我副本”？如果有一個(gè)我的“副本”青睞多重宇宙理論而其他的“副本”則反之，那么“我”又該如何知曉現(xiàn)實(shí)的真正本質(zhì)呢？

我們認(rèn)為，宇宙學(xué)家應(yīng)該注意數(shù)學(xué)家希爾伯特的警告：雖然數(shù)學(xué)上確實(shí)需要無(wú)窮維度的向量來(lái)實(shí)現(xiàn)完備的函數(shù)系，它并不存在于物理宇宙中。

通過檢驗(yàn)

我們同意理論物理學(xué)家薩賓·霍森費(fèi)爾德的觀點(diǎn)：后實(shí)證科學(xué)就是一個(gè)矛盾。量子力學(xué)和相對(duì)論之所以是正確的理論，是因?yàn)樗鼈冏龀隽祟A(yù)言并在實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)中存活了下來(lái)。然而，從托勒密的地心說(shuō)到開爾文的原子“旋渦論”，再到弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）的宇宙穩(wěn)恒態(tài)理論，大量的歷史教訓(xùn)提醒我們，在沒有充足數(shù)據(jù)的情況下，即便是優(yōu)美且令人信服的想法也會(huì)把科學(xué)家引入錯(cuò)誤的方向。

過分宣揚(yáng)某些理論意義的后果是沉重的——科學(xué)方法會(huì)變得岌岌可危。我們認(rèn)為，宣稱一個(gè)理論是如此之好，它的存在便取代了對(duì)數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)的需要，這一做法有誤導(dǎo)學(xué)生和公眾的風(fēng)險(xiǎn)，比如該如何做科學(xué)研究？同時(shí)還有可能為偽科學(xué)家大開便利之門。

怎么辦？物理學(xué)家、哲學(xué)家和其他科學(xué)家應(yīng)該在當(dāng)今物理學(xué)的框架下制定一個(gè)與其相適應(yīng)的對(duì)科學(xué)方法的釋義。在我們看來(lái)，這個(gè)議題可以歸結(jié)為澄清一個(gè)問題：什么樣的潛在觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)證據(jù)能夠令你相信某個(gè)理論是錯(cuò)誤的并使得你放棄它？如果沒有，那它就不是一個(gè)科學(xué)理論。

這必須在正式的哲學(xué)術(shù)語(yǔ)下來(lái)描述。作為最初的步驟，未來(lái)應(yīng)該召開一個(gè)會(huì)議，有關(guān)可檢驗(yàn)性辯論的雙方都必須參加。

與此同時(shí)，期刊編輯和出版商可以根據(jù)其潛在的可檢驗(yàn)性把這些工作歸入其他研究范疇，例如數(shù)學(xué)，而不是物理宇宙學(xué)。一些物理學(xué)院系和研究所被這些研究一統(tǒng)天下的局面也需要重新思考。

科學(xué)的贊許應(yīng)該只授予可檢驗(yàn)的理論。只有這樣，我們才能捍衛(wèi)科學(xué)免受攻擊。