苗千

理論物理學是否已經(jīng)超出了自然科學，在數(shù)學、自然科學和哲學之間擁有了自身獨立的準則？也許物理學家是時候對此進行認真的討論和反思了。

美國達特茅斯學院物理學教授馬塞洛·格萊澤

1687年牛頓的巨著《自然哲學的數(shù)學原理》出版，標志著物理學以一種前所未有的清晰和優(yōu)美的方式誕生，牛頓利用數(shù)學公式描述出上帝構造世界的手法，也使物理學家站在了僅次于上帝的位置，為全人類講解世界運行的規(guī)則。物理學自誕生起就一直在自然科學中處于領導地位，到了19世紀，大部分物理學家都認為，經(jīng)典物理學大廈已經(jīng)完成，對于未來的物理學研究，只剩下一些裝飾性的工作。

在19世紀的最后一天，英國物理學家開爾文男爵對全歐洲的物理學家致辭，他在回顧物理學所取得的偉大成就時，仍然不忘提及在物理學美麗而晴朗的天空上有兩朵烏云——以太問題以及黑體輻射問題。隨后正是經(jīng)典物理學上空的這兩朵烏云，在20世紀摧毀了整個經(jīng)典物理學體系，又催生了現(xiàn)代物理學的兩大支柱——相對論以及量子力學。物理學翻開了嶄新的一頁，物理學家們變得前所未有的謙卑，他們不再認為自己能夠洞察上帝的心思，而是謹慎地猜測上帝是否在擲骰子。

英國物理學家開爾文男爵

現(xiàn)代物理學所解釋的范圍更加廣闊，隨著現(xiàn)代宇宙學的誕生，物理學家們開始以整個宇宙作為研究對象，推測宇宙的誕生過程，預測宇宙的未來，物理學幾乎已經(jīng)取代了宗教和哲學的位置?，F(xiàn)代物理學的發(fā)展在2012年達到頂峰，歐洲核子中心的大型重子對撞機在實驗中發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這意味著理論物理學家在20世紀60年代提出的“標準模型”正式完成，現(xiàn)代物理學的兩個分支——實驗物理學和理論物理學在這里完成匯合。

在標準模型完成幾年之后，越來越多的物理學家開始懷疑，物理學是否需要一場新的革命，才能產生出一種更完備的理論，或者是一種全新的科學哲學？2014年12月，開普敦大學的理論物理學教授喬治·埃利斯（George Ellis）與巴黎天體物理學研究所和約翰·霍普金斯大學的物理學教授喬·斯爾克（Joe Silk）共同在《自然》雜志上發(fā)表文章《保衛(wèi)物理學的完整性》（Defend the Integrity of Physics），探討物理學乃至科學哲學發(fā)展的未來——實驗物理學與理論物理學是否還會在未來的某處相會，理論物理學將向何處發(fā)展，理論物理學是否會從自然科學中分裂出去。2015年6月5日，美國羅切斯特大學的天體物理學教授亞當·弗蘭克（Adam Frank）與達特茅斯學院的物理學教授馬塞洛·格萊澤（Marcelo Gleiser）又在《紐約時報》上發(fā)表文章《在物理學邊緣的危機》（A Crisis at the Edge of Physics），繼續(xù)探討新物理學的危機——未來的物理學理論是否還需要得到實驗的證實？或者說，判斷一個理論是否是科學理論的依據(jù)又是什么？

科學哲學家卡爾·波普爾（Karl Popper）認為，一個理論可以被稱為科學理論的基礎應該是其可證偽性，即交給自然來檢驗一個理論成立與否。但是，在標準模型完成之后，一些理論物理學家認為，如果一個理論足夠優(yōu)美，那么即使它無法被實驗驗證也可以被認為是一個科學理論?！懊馈笔亲銐虻膯?？人類又如何判斷一個理論優(yōu)美與否？自弦論誕生以來，一直都有弦論學家持有類似的觀點：如果弦論（是唯一一個）可以解釋一切自然現(xiàn)象的理論，那么它就是正確的。原因在于弦論到目前為止仍然難以通過實驗來驗證，而且（很多人認為）這是目前唯一一個可以解釋整個宇宙，完成物理學“大統(tǒng)一”的理論，盡管它假設在空間極微小的尺度下存在著11個維度，而至今還沒有任何實驗可以證實這一點。

越來越多的理論物理學家以及宇宙學家們希望可以擺脫實驗驗證，以及可證偽性的束縛，將一些在數(shù)學上足夠優(yōu)美，或是一些足以解釋目前人類觀察到的宇宙現(xiàn)象的理論納入科學理論的體系中，也有一部分原因在于在標準模型完成之后，物理學家們在欣喜之余，發(fā)現(xiàn)自己走在了一條死路上。標準模型是一個描述基本粒子種類和行為的完美理論，它不僅有優(yōu)美的數(shù)學形式，也通過了實驗的驗證，但這個理論本身是封閉性的。目前人類在各個粒子對撞機中獲得的實驗數(shù)據(jù)都沒有超出標準模型描述的限制之外，這讓很多粒子物理學家感到失望。但是這個理論的局限又是如此明顯，它對于引力作用、暗物質、暗能量等自然現(xiàn)象無能為力，無法將它們也納入自身的體系之中，而弦論作為最為流行的大統(tǒng)一理論，自然開始被越來越多的理論物理學家所接受。弦理論預測，在兩類基本粒子——費米子和玻色子之間存在著一種“超對稱”，因此宇宙中的基本粒子的數(shù)量應該是標準模型描述的兩倍——每一個基本粒子都存在另一個“超粒子”，但是在目前世界上任何粒子對撞實驗中都沒有發(fā)現(xiàn)任何超粒子的存在。盡管如此，超對稱理論仍然不可能被證偽，因為相信它正確的理論物理學家們始終相信超粒子的能量存在于對撞實驗的能量范圍之外而無法被發(fā)現(xiàn)。

與弦論類似，在宇宙學中也有一個類似的優(yōu)美卻無法被證偽的理論，這就是多重宇宙理論。多重宇宙理論盡管無法通過實驗驗證，卻足以解釋人類面對量子力學和自身存在產生的疑惑。可以說量子力學對于自然本質的概率性解釋是多重宇宙理論的起源，當人們面對“薛定諤的貓”——一只在量子力學描述下同時處于生與死兩種狀態(tài)之中的貓時，多重宇宙理論的信仰者們認為，另一個宇宙便產生了出來，在兩個平行宇宙中薛定諤的貓分別處于生和死兩種狀態(tài)，這樣一來，量子力學的悖論便被解開了。每當人們面臨一個選擇問題，每當一個事物可能有不同的發(fā)展，都會分裂出不同的宇宙——也就是說，有無數(shù)的宇宙，分別承載無數(shù)的可能性。多重宇宙理論同樣可以解釋人類在宇宙中奇跡般的存在，為什么宇宙中的一些性質（例如精細結構常數(shù)的數(shù)值）恰到好處可以容納生命存在？根據(jù)多重宇宙理論的解釋，無窮多的宇宙擁有無窮多的不同性質，生命只是在合適的宇宙中存在而已，并不存在任何巧合。

物理學家們如此急于尋找一個大統(tǒng)一理論，希望在經(jīng)典物理學之后再一次建造一座容納一切自然現(xiàn)象的物理學殿堂，而理論物理學家們現(xiàn)在已經(jīng)遠遠地走在了前面。各種完美的理論，是否真正與自然相對應？人類是否可以改變科學哲學的基礎，改變對于科學理論的判定標準？或者說，理論物理學是否已經(jīng)超出了自然科學，在數(shù)學、自然科學和哲學之間擁有了自身獨立的準則？也許物理學家是時候對此進行認真的討論和反思了。

（本文寫作參考了《自然》雜志和《紐約時報》的報道）