本文發表於《大眾科學》之前的部落格網路,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點
1931年,庫爾特·哥德爾 證明了他的第二個不完備性定理,該定理指出,形式邏輯系統無法證明自身的一致性。這個定理給證明“萬物理論”的終極能力潑了一盆冷水,而“萬物理論”在理論物理學中已變得很時髦。它暗示任何科學理論都是不完備的。
伽利略·伽利雷超越了純粹邏輯的侷限,認為任何聲稱描述現實的物理理論都必須做出經得起實驗檢驗的預測。例如,他透過實驗發現,重物在重力作用下不會比輕物加速得更快,這與之前的想法相反。這一結果為阿爾伯特·愛因斯坦後來的認識奠定了基礎,即重力不是一種力,而是時空曲率,所有測試物體都以相同的方式響應這種曲率。
伽利略基於謙遜的格言確立了多年來現代物理學的基石。但是,一種新的物理學家文化現在似乎在挑戰其根本作用。例如,宇宙暴脹理論的先驅艾倫·古思在小組討論中回答我的問題時,關於暴脹是否可證偽的問題,他回答說該理論無法被證明是錯誤的。他認為,這是一個數學框架,就像規範理論一樣,必須是有效的,而實驗的作用僅僅是確定其靈活的自由度。換句話說,該理論具有足夠的調整能力,可以擬合關於宇宙的任何實驗資料。
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但是,如果真是這樣,那麼暴脹可以被視為符合伽利略格言的物理理論嗎?如果一個理論不能被一些假設的實驗資料證明是錯誤的,它如何聲稱解釋宇宙的起源?到目前為止,我們知道關於宇宙起源的替代說法,表明宇宙可能在經歷大爆炸之前經歷了一次反彈,從之前收縮的階段反彈回來,或者它起源於與弦理論相關的某種特殊的初始狀態。在我最近與哈佛大學同事邢剛陳(Xingang Chen)和合作者合寫的兩篇論文中,我們確定了一項實驗測試,該測試揭示了宇宙微波背景中初步的證據,這可能比暴脹模型更有利於替代方案。簡而言之,它使暴脹符合伽利略的格言。
這絕不是數學上巧妙的理論未能捕捉到物理現實的第一次。畢竟,地心說托勒密本輪理論在數學上很吸引人,它的框架足夠廣泛,可以描述天空中所有行星的運動。但是,它最終被否定了,相對於日心說牛頓引力理論,因為它需要大量自由引數,必須為每個行星單獨進行微調。
儘管有科學史的教訓,但某些物理理論無法被反駁,並且必須基於抽象推理而內在正確的觀點仍然越來越流行。其他例子包括假設存在的“多元宇宙”,現實是計算機模擬的猜想,AdS/CFT對應在現實世界中的應用——現實世界沒有嵌入反德西特(AdS)空間中,而是在幾何形狀完全不同的近德西特空間中,或者斯蒂芬·沃爾弗拉姆的新概念 “萬物理論”。在沃爾弗拉姆剛剛在哈佛大學的黑洞倡議上發表了一次鼓舞人心的學術報告之後,我腦海中浮現出一個想法:如果這個理論預測了一個基本粒子可能的最低質量,我們將能夠根據天體物理資料對其進行測試。
現實世界沒有義務遵循我們的藍圖,僅僅因為它們在數學上很吸引人或比其他選擇更容易公式化。最好的例子是量子力學,其基本原理在質量上偏離了經典物理學,但透過實驗強加給了我們。在量子理論形成後,阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾就其意想不到的非經典解釋進行了辯論,他在1926年寫給馬克斯·玻恩的信中辯稱:“無論如何,我確信他[上帝]沒有擲骰子。”最近的實驗證明了愛因斯坦的直覺是錯誤的。
人類文化充滿了神話。科學旨在透過強調實驗驗證的關鍵作用來糾正先入為主的理論。人類盲目遵循流行猜想的自然傾向應該被緩和,因為它會限制我們的科學視野,並抑制對現實的理解的進步。
數學之美是令人欽佩的,但在試圖弄清現即時,相對於證據,它應降級到第二位。物理學是與自然的對話——透過我們想法的實驗測試來完成,而不是我們制定“萬物理論”並安於現狀的獨白。我們必須保持謙虛,牢記哥德爾的證明,即所有數學系統在邏輯上都是不完備的,以及伽利略的洞見,即它們中的大多數可能與現實無關。
