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弦理论是科学吗?学家辩论已久


2016/4/12  编辑:admin 来源:本站整理 

弦理论是科学吗?10年来,围绕这一问题,物理学家和宇宙学家一直在辩论。现在,人们将目光转向哲学以寻求帮助。

2015年12月7日至9日,在由慕尼黑数学哲学中心和阿诺德·索末菲理论物理中心组织的一次旨在指责理论物理学远远背离实验科学的特殊会议上,一些长期对哲学不满的物理学家与哲学家碰面了。组织者称,会议的中心议题是科学方法的整体性以及科学在公众中的声誉。

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会议是在德国慕尼黑路德维希马克西米利安慕尼黑大学召开的。此次研讨会召开的直接起因是 2014年《自然》上刊登的一篇文章。在这篇文章中,南非开普敦大学的宇宙学家乔治· 埃利斯和约翰· 霍普金斯大学的天文学家约瑟夫· 西尔克哀叹理论物理中出现了一个“令人担忧的转向”。

“在将基础理论应用到已观测宇宙时遇到的困难面前,”他们写道,“一些科学家认为,如果一个理论很美妙而且经得住解释,就不需要通过实验进行验证。”

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文章讨论的第一个问题是可实验性。正如科学哲学家卡尔·波普尔20世纪30年代提出的那样,对一个即将被认定为正确的科学理论,科学家必须通过实验对该理论进行证伪。埃利斯和西尔克在文章中指出,在某些领域,一些理论物理学家已经偏离了这个指导性原则,甚至公然辩称理论物理不应该受制于该原则。

两人将弦理论作为例子进行讨论。该理论用无穷小的细弦替换基本粒子,来调和那些描述引力和量子世界的理论之间的矛盾。弦太过微小,无法使用现代技术对其进行探测。然而,一些人争辩说,无论实验能否对其结果进行测量,弦理论都是一个值得追求的理论。原因很简单:它似乎是解开诸多疑惑的“良药”。

此外,西尔克和埃利斯还引用了另一个似乎已抛弃“波普尔主义”的理论:多重宇宙理论。多重宇宙理论认为,大爆炸产生了多个宇宙,其中大多数与我们的宇宙完全不同。

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但在研讨会开幕式的讲话中,加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的理论物理学家大卫· 格罗斯对这两种理论进行了区分。他认为,弦在原则上是可被测试的,因此弦理论当然是完美的科学理论。而多重宇宙的概念就棘手多了,因为从我们的宇宙根本观察不到它假设的宇宙,甚至在理论上也不可能观察到。“仅凭当前无法对其进行检测就认定(弦理论)不是科学实在荒谬至极。”格罗斯说。他因在强核力方面的研究获得了2004年的诺贝尔物理学奖,而且对弦理论做出了突出贡献。

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参会者卡罗尔·罗维里是法国艾克斯- 马赛大学的一位理论物理学家。他认为,目前虽然尚无法对弦理论进行检验,但并不代表它不值得理论物理学家为之付出努力和时间。埃利斯和西尔克的矛头直指路德维希马克西米利安慕尼黑大学的理查德·戴维所写的《弦理论与科学方法》(剑桥大学出版社,2013年)中的观点。戴维在书中写到,弦理论家已经开始遵循贝叶斯统计原则,即在先验信息的基础上预测某一假设正确的可能性,然后随着必要信息的不断增多对预测进行修正。然而,戴维发现,物理学家已经开始倾向于使用纯理论因子,比如通过理论的内部一致性或在没有可替代方案的情况下对预测进行修正,而严肃的做法应该是基于实际数据对预测进行修正。

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在这次会议上,格罗斯与罗维里产生了激烈的争吵。前者认为,正是因为缺乏替代方案才使弦理论正确的可能性更大;后者多年来致力圈量子引力的研究,断然否认没有可行的替代方案的说法。与此同时,埃利斯拒绝承认理论因子可以提高理论的可靠性。他说:“我对贝叶斯主义的回答是:新的证据必须是实验证据。”

其他人围绕贝叶斯统计学对弦理论的作用展开了独立讨论。斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的物理学家萨宾·赫森费尔德尔认为,弦理论的普及可能加深了一种印象,即认为它是物理学的唯一选择。但是弦理论的普及也可能得益于社会学因素,她举了一个例子:很多年轻学者已经将自己的研究方向转到弦理论,因为从工作前景来看,在这一领域搞研究显然要比在那些鲜为人知的领域搞研究有前途得多。

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约瑟夫·西尔克

科学史学家、丹麦奥胡斯大学的赫尔奇·克劳从历史角度表达了自己的观点。他说:“以前也曾提出过多个‘新科学方法’的建议,但是用其他标准来替代经验检验法的尝试总是以失败告终。”他还补充说:“至少这个问题在某些物理学领域就是如此,弦理论和多重宇宙理论只不过是多数物理学家研究的一个小领域而已。”

这种安慰对罗维里来说远远不够,他坚持认为应该明确划分已被实验证实的理论和尚在检验中的理论。他说:“当你走在街上,忽然有人拦住你说,‘你不知道世界是由弦构成的,而且存在平行宇宙吗?’这种感觉非常糟糕。”

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会议结束时,物理学家的观点似乎并没有达成一致。与西尔克、埃利斯共同组织会议的戴维说,他并不希望人们能从根本上改变自己的立场,而是希望通过接触不同领域,能让彼此“稍微缓和一点”。埃利斯认为,更有效的形式,比如为期两周的暑期学校,或许更有利于达成共识。

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