苗千：寻找科学的灵魂

苗千

如今物理学家对哲学家彬彬有礼的场景实在是不多见。物理学家们甚至很少去掩饰自己对于哲学的傲慢态度，史蒂芬·霍金在《大设计》一书中，开篇就写道：“哲学已经死了。”正因为如此，2015年12月7日至9日在德国慕尼黑大学举办的一个物理学研讨会上，2004年诺贝尔物理学奖得主戴维·格罗斯（David Gross）面对全场100多位理论物理学家、哲学家和历史学家，仍然转述了费曼那句著名的论断：“科学家需要哲学，就像是鸟儿需要鸟类学家一样。”（意为哲学对于科学研究毫无价值。）

话虽如此，这么多的理论物理学家、哲学家和历史学家聚到一起，仍然会显得很不寻常。这些人在慕尼黑大学参加一个名为“为什么相信一个理论？根据现代物理学重新思考科学方法论”（Why Trust a Theory？Reconsidering Scientific Methodology in Light of Modern Physics）的研讨会。物理学家们，或者说是理论物理学家们越来越感受到了危机，他们不得不与哲学家和历史学家们站在同一条战线，一起讨论这个老问题的新答案：什么是科学？如何判断一个理论是否成立？

这个研讨会由著名物理学家乔治·埃利斯（Geroge Ellis）和乔·西尔克（Joe Silk）共同举办，他们甚至喊出“为科学的灵魂而战”这样的口号。什么是物理学？什么才是一个可信的科学理论？一个永远都无法得到验证的理论对物理学有什么用处？科学与伪科学之间的界限究竟在哪里？美感究竟能不能成为判断一个理论是否成立的标准？随着理论物理学的发展，弦论、多重宇宙理论，以及其他一些可能永远都无法得到验证却又迷人的理论，让物理学家们感受到了前所未有的迷惑。

物理学是在17世纪，牛顿力学诞生之后，才成为一门精确的学科，而检验一个物理学假说是否成立，是否最终可以成为进入教科书的科学理论，在学术界一直有一个明确的标准：一个理论必须对人们此前没有发现的自然现象进行预测，而后经过实验反复验证，才能够被科学界所承认和接受。但是理论物理学家们发现，最新的物理学理论，正在逼近自然的极限，几个世纪以来物理学家们所习惯的方法论似乎不再适用了。

人类对于宇宙的观察越来越趋于极限。目前物理学界广为人知，在流行文化中广泛传播的一些理论，描述的正是这些趋于极限的领域。弦理论被众多理论物理学家寄予厚望，认为它是目前唯一一个可能统一自然界四种基本相互作用的“大统一理论”。实际上，弦理论已经在数学上统一了这四种相互作用，但也仅仅是在数学上。弦理论除了提供一种漂亮的数学形式之外，并未对自然现象进行任何预测，因此很难通过实验对其进行验证（它可以根据实验结果进行调整）。那么，弦理论是否可以被认为是一种“科学理论”？除此之外，我们还有其他什么选择？

与之类似，还有目前广为流行的“多重宇宙”（Multiverse）理论。这个理论可以解决现在宇宙学家们面对的诸多难题，但是对于一个只提供解释，无法验证，也无法预测新现象的理论，它怎么样才能获得所有宇宙学家的信心？

一个正确的科学理论，是否一定要具有某种美感？或者说，在无法被验证的情况下，物理学家们能否通过一个假说在形式上的“美感”来判断它的对错？事实上，很多弦论学家正是以弦论在数学形式上的美感来作为证据说明弦理论的正确性，这自然让人联想起爱因斯坦在推出广义相对论之后，对于这个理论强烈的信心（即便如此，人们也是在广义相对论被实验验证之后才接受了它）。问题在于，人类对于美感的判断标准不同，而且漂亮的理论未必总是站得住脚。相比于一个正在加速膨胀的宇宙模型来说，一个静态的、一成不变的宇宙模型显然更具美感，但是宇宙学的观测结果无情地打破了静态宇宙模型。在19世纪末期，一种理论认为在宇宙空间中充斥着以太，而空间中的原子就是以太的“顶点”（Vertox）。这个理论不仅可以解释当时的各种物理学难题，同时也具有数学上的美感，当时一些物理学家认为，这个完美的理论可以让数学家忙上几个世纪，但接下来的结果显示，宇宙中并没有以太的存在，“原子顶点”理论自然也就无法成立。

从古希腊时代算起，人类为了验证原子学说，历经了几千年的时间，但是对于弦论和多重宇宙理论，情况可能还有不同，很多物理学家认为即使是在理论上，人类也不可能对其进行验证。人类要观察的尺度越小，所需要的能量就越大，正是因为如此，人类粒子对撞机的直径才越来越大，所耗费的能量也越来越高。人类所观察到的尺度与需要耗费的能量之间呈指数关系，而弦论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学，其所需要的能量即使是在理论上人类也永远都无法达到。与之类似的是多重宇宙理论，人类不可能制造出一款太空望远镜，越过自身所在的宇宙范围，去观察另外一个与我们的宇宙有着截然不同物理学规则的另一个宇宙。

可证伪性一直是判断科学理论的唯一标准。在20世纪30年代，卡尔·波普尔（Karl Popper）提出了科学与伪科学之间的分界线。一个理论只有在可以被证伪的情况下，才有可能成为一个科学理论。他以爱因斯坦和弗洛伊德的理论做对比，广义相对论尽管提出了令人感到匪夷所思的结论，但是因为其可以被实验验证，并且通过了检验，因此它是科学理论；而一个人在成年之后的任何行为，似乎都可以归结于受其童年时代母亲的影响，这个结论无法验证，因此也就不属于科学理论。但是这样一条鉴定科学与非科学的铁律，如今也受到了质疑。哲学家马西莫·皮柳奇（Massimo Piglucci）认为，可证伪性并不全面。人们对于一个理论的信心，很大程度上是一个连续的状态，具有概率性，在0和100%之间徘徊，随着证据的不断增加，人们依照概率来判定一个理论是否算作科学理论，这被称为“贝叶斯方法”（Bayesian Method）。

是否可以通过贝叶斯方法来判定弦理论是否属于科学理论？人类科学研究是否已经进入到了一个新的阶段，需要全新的科学理论和科学方法的定义？在一个理论未经证实之前，人类究竟应该对其持什么样的态度？目前看来，只有耐心等待，在未来或许就可以出现验证这些理论的方法。相信弦论和多重宇宙理论的物理学家们将会继续他们的理论研究，而其他人将会继续质疑。科学将会以我们无法预想的方式前进。

（本文写作参考了《Quanta Maga-zine》的报道）