弦理論是科學(xué)嗎？

達(dá)維德·卡斯泰爾韋奇+田也

弦理論是科學(xué)嗎？10年來，圍繞這一問題，物理學(xué)家和宇宙學(xué)家一直在辯論?，F(xiàn)在，人們將目光轉(zhuǎn)向哲學(xué)以尋求幫助。

2015年12月7日至9日，在由慕尼黑數(shù)學(xué)哲學(xué)中心和阿諾德·索末菲理論物理中心組織的一次旨在指責(zé)理論物理學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)背離實驗科學(xué)的特殊會議上，一些長期對哲學(xué)不滿的物理學(xué)家與哲學(xué)家碰面了。組織者稱，會議的中心議題是科學(xué)方法的整體性以及科學(xué)在公眾中的聲譽。

會議是在德國慕尼黑路德維希馬克西米利安慕尼黑大學(xué)召開的。此次研討會召開的直接起因是 2014年《自然》上刊登的一篇文章。在這篇文章中，南非開普敦大學(xué)的宇宙學(xué)家喬治· 埃利斯和約翰· 霍普金斯大學(xué)的天文學(xué)家約瑟夫· 西爾克哀嘆理論物理中出現(xiàn)了一個“令人擔(dān)憂的轉(zhuǎn)向”。

“在將基礎(chǔ)理論應(yīng)用到已觀測宇宙時遇到的困難面前，”他們寫道，“一些科學(xué)家認(rèn)為，如果一個理論很美妙而且經(jīng)得住解釋，就不需要通過實驗進(jìn)行驗證?！?/p>

文章討論的第一個問題是可實驗性。正如科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波普爾20世紀(jì)30年代提出的那樣，對一個即將被認(rèn)定為正確的科學(xué)理論，科學(xué)家必須通過實驗對該理論進(jìn)行證偽。埃利斯和西爾克在文章中指出，在某些領(lǐng)域，一些理論物理學(xué)家已經(jīng)偏離了這個指導(dǎo)性原則，甚至公然辯稱理論物理不應(yīng)該受制于該原則。

兩人將弦理論作為例子進(jìn)行討論。該理論用無窮小的細(xì)弦替換基本粒子，來調(diào)和那些描述引力和量子世界的理論之間的矛盾。弦太過微小，無法使用現(xiàn)代技術(shù)對其進(jìn)行探測。然而，一些人爭辯說，無論實驗?zāi)芊駥ζ浣Y(jié)果進(jìn)行測量，弦理論都是一個值得追求的理論。原因很簡單：它似乎是解開諸多疑惑的“良藥”。

此外，西爾克和埃利斯還引用了另一個似乎已拋棄“波普爾主義”的理論：多重宇宙理論。多重宇宙理論認(rèn)為，大爆炸產(chǎn)生了多個宇宙，其中大多數(shù)與我們的宇宙完全不同。

但在研討會開幕式的講話中，加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的理論物理學(xué)家大衛(wèi)· 格羅斯對這兩種理論進(jìn)行了區(qū)分。他認(rèn)為，弦在原則上是可被測試的，因此弦理論當(dāng)然是完美的科學(xué)理論。而多重宇宙的概念就棘手多了，因為從我們的宇宙根本觀察不到它假設(shè)的宇宙，甚至在理論上也不可能觀察到?！皟H憑當(dāng)前無法對其進(jìn)行檢測就認(rèn)定（弦理論）不是科學(xué)實在荒謬至極?！备窳_斯說。他因在強(qiáng)核力方面的研究獲得了2004年的諾貝爾物理學(xué)獎，而且對弦理論做出了突出貢獻(xiàn)。

參會者卡羅爾·羅維里是法國艾克斯- 馬賽大學(xué)的一位理論物理學(xué)家。他認(rèn)為，目前雖然尚無法對弦理論進(jìn)行檢驗，但并不代表它不值得理論物理學(xué)家為之付出努力和時間。埃利斯和西爾克的矛頭直指路德維希馬克西米利安慕尼黑大學(xué)的理查德·戴維所寫的《弦理論與科學(xué)方法》（劍橋大學(xué)出版社，2013年）中的觀點。戴維在書中寫到，弦理論家已經(jīng)開始遵循貝葉斯統(tǒng)計原則，即在先驗信息的基礎(chǔ)上預(yù)測某一假設(shè)正確的可能性，然后隨著必要信息的不斷增多對預(yù)測進(jìn)行修正。然而，戴維發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家已經(jīng)開始傾向于使用純理論因子，比如通過理論的內(nèi)部一致性或在沒有可替代方案的情況下對預(yù)測進(jìn)行修正，而嚴(yán)肅的做法應(yīng)該是基于實際數(shù)據(jù)對預(yù)測進(jìn)行修正。

在這次會議上，格羅斯與羅維里產(chǎn)生了激烈的爭吵。前者認(rèn)為，正是因為缺乏替代方案才使弦理論正確的可能性更大；后者多年來致力圈量子引力的研究，斷然否認(rèn)沒有可行的替代方案的說法。與此同時，埃利斯拒絕承認(rèn)理論因子可以提高理論的可靠性。他說：“我對貝葉斯主義的回答是：新的證據(jù)必須是實驗證據(jù)?！?/p>

其他人圍繞貝葉斯統(tǒng)計學(xué)對弦理論的作用展開了獨立討論。斯德哥爾摩北歐理論物理研究所的物理學(xué)家薩賓·赫森費爾德爾認(rèn)為，弦理論的普及可能加深了一種印象，即認(rèn)為它是物理學(xué)的唯一選擇。但是弦理論的普及也可能得益于社會學(xué)因素，她舉了一個例子：很多年輕學(xué)者已經(jīng)將自己的研究方向轉(zhuǎn)到弦理論，因為從工作前景來看，在這一領(lǐng)域搞研究顯然要比在那些鮮為人知的領(lǐng)域搞研究有前途得多。

約瑟夫·西爾克

科學(xué)史學(xué)家、丹麥奧胡斯大學(xué)的赫爾奇·克勞從歷史角度表達(dá)了自己的觀點。他說：“以前也曾提出過多個‘新科學(xué)方法的建議，但是用其他標(biāo)準(zhǔn)來替代經(jīng)驗檢驗法的嘗試總是以失敗告終。”他還補充說：“至少這個問題在某些物理學(xué)領(lǐng)域就是如此，弦理論和多重宇宙理論只不過是多數(shù)物理學(xué)家研究的一個小領(lǐng)域而已。”

這種安慰對羅維里來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，他堅持認(rèn)為應(yīng)該明確劃分已被實驗證實的理論和尚在檢驗中的理論。他說：“當(dāng)你走在街上，忽然有人攔住你說，‘你不知道世界是由弦構(gòu)成的，而且存在平行宇宙嗎？這種感覺非常糟糕。”

會議結(jié)束時，物理學(xué)家的觀點似乎并沒有達(dá)成一致。與西爾克、埃利斯共同組織會議的戴維說，他并不希望人們能從根本上改變自己的立場，而是希望通過接觸不同領(lǐng)域，能讓彼此“稍微緩和一點”。埃利斯認(rèn)為，更有效的形式，比如為期兩周的暑期學(xué)校，或許更有利于達(dá)成共識。