弦理论和多重宇宙无法验证 这算是伪科学吗

伤我心太深

弦理论和多重宇宙是科学吗？过去十年来，物理学家和宇宙学家一直在争论这个问题。如今，这个社群开始向哲学寻求帮助。




2015年12月初，为了控诉理论物理的部分分支与实验科学脱节的现象，一群吵得不可开交的物理学家找到科学哲学家，一起举办了一个不同寻常的研讨会。按照会议组织者的说法，科学方法的完备性以及科学在大众中的形象正处在危急关头。


一年前，南非开普敦大学的宇宙学家乔治·埃利斯（George Ellis）和约翰斯·霍普金斯大学的天文学家约瑟夫·西尔克（Joseph Silk）在《自然》杂志上发表文章表达对物理学的担忧，称理论物理正遭遇“一个令人担忧的转折”（G. Ellis and J. Silk Nature 516, 321–323; 2014）。而这次（2015年12月7日至9日）在慕尼黑大学举行的研讨会，就是为了讨论这个问题。

“一旦遇到难以应用到可观测的宇宙的基础理论，”他们写到，一些科学家就会争辩说，“如果一个理论足够优雅并且解释清晰，那它就不需要实验检验”。

会上讨论的第一个问题就是可测性。看一个科学理论是否成立，科学家常常会去检验，是否存在一种能在原则上把它排除，或者说将其“证否”的实验。这就是哲学家卡尔·波普尔（Karl Popper）在20世纪30年代提出的理论。埃利斯和西尔克在文章中指出，某些领域的一些理论物理学家已经偏离了这个指导原则——甚至辩称应放宽验证科学理论之真伪的条件。

两位作者把弦论作为主要例子。为了使相对论和量子力学相容，弦论用无限细的弦来代替基本粒子。今天的科技无法探测如此微小的弦；但一些人辩论道，即使实验永远不能测出弦的存在，弦论也值得探索，就是因为它看起来是很多难题的“正确”解答。


埃利斯和西尔克同时提到了另一个看似背叛了“波普尔主义”的理论：多重宇宙理论，该理论声称大爆炸产生了许多宇宙，其中大部分都与我们的宇宙迥然不同。

但在开场演讲中，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（David Gross）说，这两种理论有本质的区别。他把弦论列为“原则上”可以测量的理论，所以完全是科学的，因为弦的存在将来或许可以探测。

他说，更让人感到困扰的是类似“多重宇宙”这样的概念，因为从我们的宇宙很可能观察不到这些假设的宇宙，甚至在原则上都是做不到的。“仅仅因为现阶段无法验证弦论就说它不是科学，这是非常荒谬的。”格罗斯说。格罗斯对于强核力的研究使他在2004年分享了诺贝尔奖，而且该研究在实验中得到了很好的验证。他对弦论也有重要贡献。

来自法国艾克斯马赛大学的理论物理学家卡洛·洛夫里（Carlo Rovelli）参与了会议，认同“弦论现今不可测不代表不值得研究”的观点。但埃利斯和西尔克的文章的主要针对的是慕尼黑大学哲学家理查德·戴维（Richard Dawid）在他《弦论与科学方法》（Cambridge Univ. Press, 2013）一书中的观点。戴维写道，弦论学者已经开始遵循贝叶斯统计的原理，即在已有知识的基础上估计特定预测正确的概率，并在不断获得新知识的过程中不断修正预测。但是，戴维指出，物理学家已经开始使用纯粹的理论因素（比如理论的内在自洽性，或者缺乏可靠的替换者）来修正预测，而不是依据真实的数据。



会议上，格罗斯认为，缺乏替换理论使得弦论更有可能是对的。洛夫里持相反观点，他在圈量子引力领域工作数年，断然否定了没有可用的替换理论的假设。与此同时，埃利斯不认同理论因子会有更高的成功概率。“我对贝叶斯主义的回应是：新的证据必须是实验证据。”他说。

其他人围绕“使用贝叶斯统计来支持弦论”提出了其他看法。德国法兰克福高等研究院的扎比内·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）说，弦论的流行或许让人们以为这是唯一方法。社会学因素或许帮助弦论积攒了人气，她说：“举个例子，年轻的研究人员可能会转向弦论，因为相比其他知名度低的领域，从事弦论可能有更好的工作前景。”

来自丹麦的奥胡斯大学的科学史学者黑尔格·克拉格（Helge Kragh）从历史的角度看待这些事情。“之前也有人建议说我们需要‘新的科学方法’，但是使用其他标准替换‘实验上的可测性’的尝试都失败了，”他说。好在问题只局限在物理学的少数领域中，他补充道。“弦论和多重宇宙在大多数物理学家工作中只占很小比重。”

洛夫里对此并没有感到宽慰，他强调了明确区分由实验建立起来的科学理论和试探性理论的重要性。“如果大街上有人拦住你，并对你说‘你知道世界是由弦构成并且存在平行世界吗？’这种感觉相当糟糕的。”

临近会议结束，物理学家仍然争论不休，完全没有达成共识。与埃利斯、西尔克等人一同组织这次会议的戴维说他并不指望人们能从根本上改变立场。但他希望人们或许能在交流中“建立更加融洽的关系”。埃利斯建议采用更加沉浸式的讨论形式，比如为期两周的暑期学校，这对达成共识或许更加有效。（ 撰文：达维德·卡斯泰尔韦基（Davide Castelvecchi）翻译：寒冬）