本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
在1990年的一次宇宙學會議上,我請與會者提名最聰明的在世物理學家。與會者包括斯蒂芬·霍金、邁克爾·特納、詹姆斯·皮布林斯、艾倫·古思和安德烈·林德等。愛德華·威滕獲得了最多的票數(史蒂文·溫伯格位居第二)。有些人認為威滕與愛因斯坦和牛頓處於同一級別。威滕過去和現在都以他在弦理論方面的工作而聞名,弦理論統一了量子力學和相對論,並認為自然界的所有力——包括引力——都源於在由許多額外維度組成的超空間中扭動的無限小粒子。
即使在當時,弦理論——一些愛好者(不包括威滕)稱之為“萬物理論”——也極具爭議,因為似乎無法透過實驗證實弦或它們據稱居住的額外維度的存在。因此,一年後,當威滕勉強同意在普林斯頓高階研究院接受採訪時,我感到非常激動。在我們的會面之後,我寫了一篇關於威滕的簡短人物特寫,“超弦的魔笛手”,發表在1991年的《大眾科學》上;以及為我的1996年著作《科學的終結》撰寫了一篇更長的人物特寫。以下是後者的摘錄
我問威滕,他對批評者聲稱超弦理論不可檢驗,因此根本不是物理學的說法有何回應。威滕回答說,該理論預測了引力。“即使嚴格來說,這是一種後預測,因為實驗是在理論之前進行的,但引力是弦理論的後果這一事實,對我來說,是有史以來最偉大的理論見解之一。”
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他承認,甚至強調,沒有人真正理解這個理論,並且可能需要數十年才能產生對自然的精確描述。他不會像其他人那樣預測,弦理論可能會導致物理學的終結。然而,他平靜地確信,它最終會產生對現實的深刻新理解。“好的錯誤想法極其稀缺,”他說,“而與弦理論的宏偉壯麗相媲美的好錯誤想法從未出現過。”當我繼續追問威滕關於可檢驗性的問題時,他變得惱火。“我認為我沒有成功地向您傳達它的奇蹟、它令人難以置信的一致性、卓越的優雅和美麗。”換句話說,超弦理論太美好了,不可能是錯誤的。
最近,威滕贏得了著名的京都獎,該獎項由日本稻盛基金會設立,旨在表彰“為人類的科學、文化和精神進步做出重大貢獻的人”。威滕在基礎科學類別中獲得了5000萬日元,約合50萬美元。京都獎網站宣告:“威滕博士在理論物理學領域做出了重大貢獻,30多年來一直是超弦理論戲劇性演變的領導者。此外,透過運用他的物理直覺和數學技能,他推動了數學的發展,並推動了許多數學家的前沿研究。”
我對威滕的特寫報道相當尖刻。因此,當京都獎的一位宣傳人員最近問我是否想採訪威滕時,我感到驚喜。我提交了一些問題,威滕親切地透過電子郵件回答了這些問題。
霍根:在1991年我採訪您時,您說“與弦理論的宏偉壯麗相媲美的好錯誤想法從未出現過。”您仍然確信弦理論(或其後代M理論)最終會被證明是“正確的”嗎?
威滕:我想我還是堅持1991年我說的話。從那時起,我們經歷了第二次超弦演化以及許多令人驚訝的發展,在這些發展中,弦理論被用來更好地理解物理學(和數學)中的傳統理論。所有這一切,如果人們假設我們正在做的事情走在正確的軌道上,那就最有意義了。(我的2005年文章“解開弦理論”給出了更詳細的說明。)
霍根:您是否看到任何其他與統一物理理論競爭的理論?
威滕:沒有任何有趣的競爭性建議。正如“解開”中所述,其中一個原因是,有趣的競爭性想法(扭量理論、非交換幾何學等)傾向於被吸收到弦理論的更大圖景中。競爭性的有趣想法非常零散,並且在被吸收到弦理論中時往往會獲得力量。
霍根:據估計,有10500個版本的弦理論,每個版本都“預測”一個不同的宇宙。倫納德·薩斯坎德和其他人提出,這些假想的宇宙實際上存在,形成了多元宇宙“景觀”。但是,彼得·沃伊特、保羅·斯坦哈特和喬治·埃利斯等物理學家抱怨說,弦理論和多元宇宙理論可能是不可檢驗的,因此不是真正的科學。您如何回應這些批評?
威滕:就我個人而言,我希望宇宙景觀的解釋是錯誤的,因為我希望最終能夠從第一性原理計算出電子和μ子的質量比(以及其他東西)。然而,宇宙不是為了我們的方便而創造的。許多頂尖物理學家——著名的例子包括史蒂夫·溫伯格和馬丁·里斯——已經認真對待宇宙加速膨脹,認為這是一個暗示,表明宇宙景觀的解釋可能是正確的。這是一項具有里程碑意義的發現,於1998年宣佈(在您的著作《科學的終結》出版兩年後——不幸的時機!)。它太令人震驚了,以至於過了幾年,並且有了更多的資料,我個人才確信這一發現。[霍根:請參閱我在下面的附錄中對宇宙加速的看法。]
如果景觀解釋是正確的,我們能否獲得額外的線索,使之更可信?一個明顯的可能性涉及大型強子對撞機實驗的結果。我在2004年的文章“當對稱性破裂時”中解釋了原因。我在那裡寫的內容不是原創的,但提供了一個簡潔的解釋。文獻中充滿了其他關於如果景觀解釋是正確的,我們如何可能獲得更多線索的建議(例如,在宇宙微波輻射中看到先前的相變的跡象)。我很難為您總結這些建議,因為很難知道哪些提議最值得描述。
另一種可能性是,預測景觀的理論會因為其做出的其他預測而得到充分確立。批評弦理論因為它似乎預測了真空景觀的問題在於,宇宙的景觀解釋可能是正確的。200年後,如果出現更多線索,可能包括現在無法預見的線索,那麼弦真空景觀對於使弦理論可行似乎是必要的,這可能是顯而易見的。
霍根:您是否同意肖恩·卡羅爾的觀點,即可證偽性作為區分科學與偽科學的標準被高估了?
威滕:科學家的目標是儘可能可靠和精確地理解自然。黃金標準是一個精確的預測,可以在實驗室實驗中以精確的方式進行測試。推翻理論的實驗是科學過程的重要組成部分。
話雖如此,聲稱科學包括試圖證偽理論有點過於狹隘,因為很多科學包括試圖發現事物。(試圖進行新合成的化學家可能會說他們試圖證偽這種新合成不起作用的假設。但這通常不是他們所說的。在火星上尋找生命的人可能會說他們試圖證偽火星上沒有生命的假設。同樣,人們通常不會那樣說。)
霍根:多元宇宙理論——無論是受弦理論還是其他想法的啟發——是可證偽的嗎?如果不是,它們應該被認真對待嗎?
威滕:如果宇宙的景觀解釋是正確的,那麼肯定有可能獲得額外的線索來支援這一點,正如我在上面的回答中指出的那樣。
霍根:一些多元宇宙理論的支持者提倡人擇原理,以此來回答為什麼我們生活在這個宇宙中,而不是一個完全不同的宇宙中的問題。您認為人擇原理是一個合法的科學命題嗎?
威滕:正如我在上面也寫道的那樣,我更喜歡從第一性原理對宇宙進行解釋,而無需考慮人擇原理。但再說一次,宇宙不是為了我們的方便而創造的,對答案是什麼抱有先入為主的觀念是無用的。
霍根:您認為科學最終會解釋宇宙是如何形成的嗎?為什麼存在事物而不是虛無?
威滕:科學在理解早期宇宙方面取得了驚人的成功,例如,您可能知道,宇宙“暴脹”的證據比我們上次談話時(或您的書出版時)要多得多。[霍根:我不接受現在暴脹的證據比1996年“多得多”。請參閱我在延伸閱讀下關於暴脹的文章。然後參閱威滕的澄清。]
我想我更願意只說我能看到的可能提供更好理解的東西。顯然,即將到來的觀測可能會有所幫助。最直接的是關於宇宙微波輻射偏振的更多資料。我們應該在幾年內瞭解更多這方面的資訊。在幾十年內,從對宇宙21釐米背景輻射的觀測,以及可能從其他技術中,可能會獲得根本性的新見解。
然而,作為一名理論家,我還想評論一下可能為進一步進展帶來希望的理論漏洞。其中一個涉及宇宙暴脹。正如我所說,到目前為止,有很多證據表明宇宙暴脹。但是,宇宙暴脹理論也沒有一個完全一致、邏輯嚴密的數學框架。如果暴脹是正確的,那麼我認為很有希望最終解決這個問題,這可能會導致對早期宇宙的更好理解。同樣,自從我們上次談話以來,在理解量子效應強烈時弦理論的行為方面取得了巨大進展。但是在理解時間相關效應很大時的行為方面,進展甚微(這在早期宇宙中很重要)。
這是一個相對明確的數學問題,我設想很有可能最終獲得見解,這同樣可能導致對早期宇宙的更好理解。
霍根:您認為有什麼奧秘是科學永遠無法解釋的嗎?
威滕:與任何努力一樣,我們所能做的就是盡力而為,而不知道在旅程開始時我們將能夠走多遠。現代科學事業已經進行了數百年,我們已經比我們的前輩可能想象的走得更遠了。
霍根:一些物理學家,如斯蒂芬·霍金和勞倫斯·克勞斯,貶低哲學是過時的。您同意嗎?您是否發現任何在世或已故的哲學家的著作對您的工作有趣或有用?
威滕:就我個人而言,我受過去的一些“自然哲學家”的影響最大,例如詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。
霍根:您是宗教人士嗎?您認為科學和宗教是相容的嗎?
威滕:我認為科學解釋更有趣,更具啟發性。
附錄:和威滕一樣,我對1990年代後期宇宙正在加速膨脹的發現感到震驚——最初也持懷疑態度。現在,我認為它是“迄今為止過去十年物理學和宇宙學中最令人興奮的進展”,正如我在2006年所說的那樣。如果我想批評《科學的終結》,我會以宇宙加速為首。但到目前為止,這一發現仍然只是大爆炸理論中一個有趣的轉折,它並沒有引發20世紀早期發生的那種革命性的理論突破和正規化轉變。
威滕的澄清:當我說今天暴脹的證據比您的書出版時“多得多”時,我並不是指BICEP的發現。我指的是您的書出版後十年間出現的關於宇宙微波背景漲落的全部資料。早期宇宙中類似暴脹現象的證據確實要強大得多。幾乎任何物理學家或天文學家都會告訴您這一點,儘管也有例外。我對BICEP的唯一隱式暗示實際上是我在回答關於我們是否會完全瞭解宇宙起源的問題時(在採訪的後面)寫的,即在幾年內,我們將更多地瞭解CMB的偏振。我的意思是(我認為我的措辭反映了對BICEP提出的問題,對於同事來說是清楚的)是在幾年內,我們將知道BICEP聲稱的效果是否存在於可以在CMB中檢測到的水平。
延伸閱讀:
“儘管有引力波發現,我仍然懷疑暴脹。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2014/03/17/why-i-still-doubt-inflation-in-spite-of-gravity-wave-findings/。我在本文中討論的以及威滕提到的BICEP2結果,看起來越來越站不住腳了。
“嘿,物理學,來點實在的!” http://chronicle.com/article/Hey-Physics-Get-Real-/126662/
“如果你想要更多希格斯炒作,請勿閱讀此專欄。” https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2012/07/04/if-you-want-more-higgs-hype-dont-read-this-column/
另請參閱我最近對物理學家喬治·埃利斯和卡洛·羅韋利的問答,他們都評論了弦、多元宇宙、證偽和其他與物理學相關的主題。
圖片來源:Jewish Currents, http://jewishcurrents.org/tag/edward-witten。