物理學的簡單真相

理論模型可能很複雜,但最成功的模型通常並非如此

托勒密的天體模型比取代它的哥白尼體系複雜得多。

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在最近的一次小組會議上,我的博士後提出了一個問題:“我們是否應該使我們的理論模型更復雜,以便我們對資料的解釋不會顯得過於簡單?” 我對這個建議感到驚訝,並感到有義務解釋原因。“簡單是一種美德,”我說,“而不是缺陷。過度的數學技巧被用於在實驗資料稀缺的理論物理學分支中炫耀。但作為物理學家,我們應該為我們的資料尋求最簡單的解釋。這是物理學的命脈和衡量成功的適當標準。”

幾十年來,人們一直認為我們早期的宇宙簡單模型(以少量引數為特徵)是幼稚的,並且是資料稀缺的結果。到21世紀初,我們已經收集了足夠的資料來驗證宇宙確實是從最簡單的初始狀態開始的,幾乎是均勻和各向同性的,具有小的波動,這些波動發展成我們今天在宇宙中發現的複雜結構。這種已經存在了一個世紀的簡單宇宙學模型是現代宇宙學的基礎。

在當今激烈的就業市場中,剛起步的科學家有時會試圖用冗長的推導和具有挑戰性的數學複雜性來給他們的資深同事留下深刻印象。最近,另一位博士後告訴我:“在我的研究領域,展示卓越技能最流行的方式是撰寫大量的論文,有時長達數百頁甚至更長。我正面臨著未來職業生涯的戰略困境:選擇漫長而複雜的專案還是簡短而富有洞察力的論文?”


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很明顯,完成長期專案需要付出更多汗水;但科學註定是艱苦的勞動嗎? 不一定。我們作為科學家的任務是基於最簡單的理論來解釋現象,其預測可以透過新的實驗進一步檢驗。本著奧卡姆剃刀的精神,如果答案很簡單,為什麼要把它複雜化呢?

長期、可預測的專案可能會透過預測他們可能發現什麼來吸引資助機構的注意,但它們的遺產可能不如意外結果的簡短報告有影響力。冗長的討論讀者較少,因此他們的欣賞自然往往是膚淺的。另一方面,易於理解的簡短見解往往會激發更廣泛的科學界的後續工作。與天真的期望相反,簡短、內容豐富的報告的更廣泛吸引力提高了就業前景。

對複雜性的時髦吸引力也為希望使其工作細緻入微且不易受到審查的資深科學家所共有。雖然老練通常被認為是精英的標誌,但如果科學成果以簡單透明的方式表達,則能更好地為科學服務。當記者問:“您是如何如此清晰地解釋您的研究的?” 我經常回答:“透過只描述我理解的東西,並承認我不知道的東西。” 複雜性有時被用作戲劇性的煙霧和迷霧來掩蓋無知的難看形象。

物理學家理查德·費曼曾:“正如詩人常常被允許不遵守語法和發音規則一樣,我們也應該要求物理學家‘獲得物理學家的許可’,不遵守數學規則,以便儘可能簡單地表達我們想說的話。” 事實上,路易·德布羅意建立量子力學中波粒二象性的原始博士論文簡短而簡潔,並在五年後為他贏得了諾貝爾獎。

簡單的見解可以瞬間產生,無需辛勤勞動,並帶來一種令人興奮的感覺,數學家亨利·龐加萊稱之為“頓悟”。當朱利安·施溫格和理查德·費曼提出兩種不同的方法來解釋量子 электродинамики 領域的實驗資料時,在弗里曼·戴森(當時年僅24歲)優雅地證明它們是等價的之前,決定應該使用哪一種方法在數學上似乎很複雜。弗里曼在灰狗巴士上獲得了簡化的見解,之後:“我無法判斷這項工作是否像我認為的那樣偉大。我只知道,這肯定是我迄今為止做過的最好的事情。” 他因此獲得了普林斯頓高等研究院的永久教職,與阿爾伯特·愛因斯坦並肩工作。費曼和施溫格都因為這一簡化的啟示而分享了諾貝爾獎。

不必要的複雜性通常需要對引數進行微調。理論越是微調,相對於更簡單的真理,它的解釋力就越弱。一個經典的例子是數學上覆雜的托勒密本輪理論,用於描述行星的運動,與更簡單的牛頓替代方案相比。當宇宙學家透過引入新的自由引數來擬合新資料,對宇宙暴脹或多元宇宙等靈活理論進行逆向工程時,也應適用同樣的保留意見。我在最近一篇論文中量化了這一點,這篇論文是我與哈佛黑洞計劃的哲學博士後研究員費拉茲·阿茲哈爾合著的,他剛剛在構思這個想法的同時,透過接受初級教員職位實現了他的就業市場願望,哈佛黑洞計劃

雖然簡單的見解事後看來似乎微不足道,但發現它們是一種罕見的特權。經過繁瑣勞動產生的複雜論點可以被視為顯而易見但難以觸及的果實。另一方面,罕見的見解是通常隱藏在視線之外的唾手可得的果實。當所有可見的唾手可得的果實都被摘完後,剩下的只有這兩種選擇。

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