理論物理學若缺乏實驗驗證則毫無意義

我們的學科是與自然的對話,而非某些理論家所希望的獨白

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一場新的辯論最近興起,爭論弦理論是否 допускает 哪怕一個包含宇宙常數的嚴格解,正如我們在真實宇宙中觀察到的那樣。這場辯論源於過去幾十年,在此期間,該理論的數學豐富性得到了顯著提升,但與實驗驗證的聯絡非常有限。這種經歷激發了一種新的理論物理學文化,即無需實驗驗證

考慮到我們學術獎勵體系中的評分、晉升和獎項,我們有時會忘記物理學是關於自然的學習體驗,而不是展示我們智力力量的競技場。作為經驗的學生,我們應該被允許犯錯並糾正我們的偏見。

阿爾伯特·愛因斯坦因開創性地使用思想實驗作為揭示物理現實真相的工具而備受讚譽。但我們應該記住,他在量子力學的基本性質以及引力波黑洞的存在問題上都犯了錯誤——他在職業生涯後期否定了這些,而引力波和黑洞都在2015年被LIGO觀測證實,恰好在他提出廣義相對論一百年後。


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鑑於這個令人警醒的歷史教訓,理論物理學家在慶祝猜想時應謹慎避免過早的傲慢,並接受實驗“斷頭臺”的最終裁決,以決定未經檢驗的推測的命運。

來自實驗資料的反饋至關重要。物理學的本質是與自然的對話,而不是某些理論家寧願相信的獨白。在我每天上班的路上,我經常看到查爾斯·龐茲在1920年購買的漂亮房子,這提醒我實證驗證的必要性,而幾個月後,龐茲因欺詐性投資活動被捕,這些活動現在通常與他的姓氏聯絡在一起。

龐茲透過向投資者承諾有保證的收入而發家致富,這是一種理想的理論方案,在投資者要求兌現資金進行實驗檢驗之前,這種方案在社會上是可以接受的。當時他們的震驚表明,在批准理論方案作為對現實的描述之前,需要對其進行檢驗。

類似於醫生有義務宣誓希波克拉底誓言的方式,物理學家應該宣誓“伽利略誓言”,其中他們同意根據理論猜想在其一生中透過實驗檢驗的程度來衡量物理學理論猜想的價值。

物理學的風險主要源於數學上優美的“真理”,例如弦理論,僅僅因為其優雅而被過早地接受為對現實的描述長達數十年。這種判斷通常受到物理學界內部的一種社會趨勢的引導,即從數學的複雜性和聲望中獲取養分。儘管沒有任何證據表明存在超出我們在日常生活中所見的 3+1 維度的額外維度,但今天人們普遍認為,對額外維度的研究是理論物理學主流的一部分。

與此同時,許多將額外維度研究視為主流的科學家卻認為搜尋地外文明(SETI)是推測性的。這種心態未能認識到,SETI 僅僅是在別處尋找我們已經知道在地球上存在的東西,並且基於四分之一的恆星都擁有圍繞它們執行的潛在宜居地球大小行星的知識。 

這種搜尋應被認為完全在主流研究的邊界之內,而額外維度的猜想應被視為高度推測性的。

將理論猜想置於實驗檢驗的經驗是令人謙卑的。如果猜想被證明是錯誤的,則必須對其進行調整。成為一名物理學家帶來了在成年生活中保持童年好奇心的特權。沒有必要假裝你比實際知道的更多,如果被經驗證明是錯誤的,你可以承認錯誤,就像一個試圖瞭解世界的孩子一樣。做純粹的理論而不擔心實驗驗證實際上剝奪了人們學習關於自然的新事物的樂趣。

識別我們知識的邊界比為過去的知識感到自豪更令人興奮。只有我們透過實驗與現實本身的接觸才能將我們的概念引導到新的領域。如果沒有引導我們得出這種意想不到的現實概念的實驗資料,即使是愛因斯坦也無法想象出量子力學。

參考文獻

愛因斯坦,A.,波多爾斯基,B. & 羅森,N. “量子力學對物理現實的描述可以認為是完備的嗎?”, 物理評論 47, 777 (1935).

愛因斯坦,A., & 羅森,N. “論引力波”, 富蘭克林研究所雜誌 223, 43(1937).

愛因斯坦,A. “論由許多引力質量組成的具有球對稱性的靜止系統”, 數學年刊 40, 922 (1939).

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