量子百年史话 | 为什么糟糕的哲学会阻止物理学的进步？

“量子百年史话”是光子盒新开设的栏目，旨在庆祝联合国首届国际量子年，借此机会回首量子百年发展历程，铭刻量子物理学史上那些非凡的成果与难忘的瞬间，还原改变科学进程的经典场景，透过理论公式感受智慧之光。

理论物理学家受制于一种被误导的思维方式，这种思维方式认为只有通过推翻已经存在的东西才能推进可行的想法。

物理学家已经痴迷于寻找“超出”我们已经知道的物理学线索

图片来源：Roger Ressmeyer/Corbis/VCG

在过去的几十年里，大自然似乎在愚弄我们。在这段时间里，基础物理学的大量理论研究都集中在寻找“超越”我们现有最佳理论的东西：超越粒子物理学标准模型，超越广义相对论，超越量子理论。然而，一系列具有划时代意义的实验结果证明了许多这样的猜测是没有根据的，并且证实了我五十年前在学校学到的物理学。我认为物理学家们没有吸取这些教训，而这反过来又阻碍了物理学的进步。

以2012年在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上发现希格斯玻色子为例。彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·巴罗（François Englert），这两位早在近50年前就建立了相关基础理论的理论家，因这一成就共同获得了2013年的诺贝尔物理学奖。希格斯玻色子是粒子物理学标准模型中最后一个被发现的粒子，它出色地证实了该模型，而不是那些“超越”它的数十种理论。与此同时，LHC数据中明显缺乏“超对称”粒子的证据，令那些因受包括弦理论在内的思辨性理论的激励而坚信这类粒子存在的理论物理学家们感到失望。

再比如2015年首次直接探测到引力波。这一成果是对爱因斯坦一个世纪前的引力理论——广义相对论的精彩证实。2017年的物理学诺贝尔奖授予了三位为这一发现作出决定性理论和实验贡献的物理学家。

就在同一年，几乎同时探测到来自两颗中子星合并（GW170817事件）的引力波和电磁信号，这一成果使科学家们对引力波和电磁波速度比值（广义相对论认为两者应该相同）的认识提高了约14个数量级。这一成果一举排除了大量“超越”广义相对论的理论。同样地，2020年的诺贝尔物理学奖授予了证明黑洞的存在和现象与广义相对论完全一致的工作。

最后，2022年的物理学诺贝尔奖授予了数十年来验证诸如量子纠缠等现象的实验，这些实验在大距离上的验证否定了关于“超越”量子力学的理论猜测。这些结果常常被呈现为令人惊讶的，但事实上，它们只是证实了我在学校学到的内容。

然而，几十年来，粒子物理学或天文学中每一个看似与既定观点有轻微矛盾的新数据点都被宣布为“超越”当前理论的物理学的迹象。大量的物理学家群体利用这些迹象作为思辨的跳板，过程中产生了大量的论文。但这些新数据最终都被证明可以用既定的物理学来解释，是统计涨落的结果——甚至可能是实验误差。

你可能会认为，这种对超出我们最佳理论的荒诞猜测的反复否定，会鼓励我们在方法论态度上保持一定的谦逊。然而，我在许多同行理论家中几乎没有看到这种谦逊，他们仍然热衷于追求下一个“超越”我们今天所拥有的理论的“大理论”。为什么呢？

不良的哲学观念阻碍了物理学的发展？

我的猜测是，至少部分原因是物理学家们是糟糕的哲学家。科学家们的意见，无论他们是否意识到（以及无论他们是否喜欢），都充满了哲学思想。我的许多同事——尤其是那些认为哲学无关紧要的人——他们对科学应该做什么的看法源于对两位二十世纪哲学家——卡尔·波普尔（Karl Popper）和托马斯·库恩（Thomas Kuhn）的作品的错误理解。

从库恩那里，人们得到了这样的观点：新的科学理论并非基于之前的理论，进步是通过“范式转变”实现的，这是科学领域的革命。而波普尔则提供了这样的观点：一个理论只有在“可证伪”的情况下才是科学的，如果它能被实验证据证明是错误的。我认为，对波普尔和库恩的肤浅解读，促成了几种误导了大量研究的假设：一是过去的知识不是未来的好向导，新的理论必须从空中捞取；二是所有尚未被证伪的理论都应被视为同样可能，并且同样需要被检验。

科学史表明，这种态度是错误的。很难，如果不是不可能的话，去想象一个重大的基础物理学进展是从任意的假设中产生的。相反，它们来自两个来源，都是经验性的。

第一个是新数据。约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）在17世纪初洞察到行星围绕太阳做椭圆运动而不是圆周运动，这一发现来自对火星运动异常的观测。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）19世纪的电磁学方程源于迈克尔·法拉第（Michael Faraday）等人的早期实验。量子力学的基本思想大约在1900年来自对原子光谱学的研究。量子色动力学，作为粒子物理学标准模型的基础之一的强核力理论，是在20世纪50年代和60年代试图对新发现的“强子”粒子的混乱局面进行整理的过程中产生的。

第二个进展的来源是对既定知识中明显的不一致或不连贯性的研究：认真对待这些知识，并试图使其一致。一个著名的例子是爱因斯坦1905年的狭义相对论。

狭义相对论的诞生源于这样的观察：麦克斯韦方程很好地解释了电磁现象，但它们说电磁波以绝对速度传播：光速。这似乎与伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）在17世纪的研究所理解的一个事实不兼容：速度是一个相对量。按照对波普尔和库恩的天真解读，爱因斯坦本应探索对麦克斯韦方程的修改，或者放弃速度的相对性。他却反其道而行之。

他信任过去的科学知识，保留了麦克斯韦方程和速度的相对性，并通过假设两者都是正确的并改变其他东西来消除两者之间的明显矛盾：时间以及同时性的绝对性。爱因斯坦以同时性取决于观察者的运动方式这一观点为基础，创立了新的相对论。

爱因斯坦在1915年引入的广义相对论是类似策略的产物。它基于对已经获得的基本知识的信心：特殊相对论；在迄今为止已进行检验的相对较弱的场中的牛顿引力；以及麦克斯韦理论作为解决牛顿引力的一个问题的模型，因为牛顿引力似乎能在瞬间跨越距离起作用。引力，像电磁学一样，也可以被假设有一个绝对速度：光速。

在这些以及类似的情况下，进步大多是在没有新数据的情况下实现的。当16世纪尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）探索地球自转并围绕太阳运动，而不是太阳围绕地球运动的可能性时，他几乎没有什么比前一千年中任何其他天文学家更多的东西可以依靠。爱因斯坦说，1887年的迈克尔逊-莫雷实验的结果，该实验似乎确实表明光速是绝对的，无论谁在观察它，对他推导出狭义相对论并不重要。这一说法是可信的，因为迈克尔逊-莫雷实验的结果实际上对于推导出狭义相对论是无关紧要的（尽管它是对该理论的验证）。同样地，广义相对论能够解释水星近日点（其最接近太阳的点）的异常运动，这是牛顿引力无法解释的，这一成果作为新理论的验证而起作用，但并非其来源。

经典电磁学的精彩案例则略有不同。法拉第等人的新数据是必不可少的，但麦克斯韦通过寻求与之前发现的定律的一致性，构建了他的最终综合理论。新的物理学再次诞生于先前的知识——认真对待这些知识，将其作为关于现实的可靠信息。

开放性挑战

基础物理学历史上的“革命”因此比通常所描述的更加保守。库恩强调的不连续性导致许多科学家低估了过去知识在理解我们尚未知晓的事物中的相关性。波普尔对可证伪性的强调，最初仅作为划分科学理论的标准，却被误解为合法化了所有猜测同样可能的想法。

我们能从所有这些中学到些什么呢？理论物理学家应该做些什么来避免过去的错误，并抓住过去的成功呢？在这方面，我无法提供确切的处方：如果有一个已知的发现公式，它早就被应用了。

然而，我认为有必要对方法论进行一些思考。以超对称为例。这一理论预测了一系列粒子——标准模型中的每种粒子都有一个对应的粒子——LHC本应发现这些粒子。超对称有几个很好的动机；例如，它可以清理一些使标准模型能够运作的看似任意的参数，包括各种力的强度。而且，它也许可以为宇宙中似乎远远超过标准模型物质的“暗”物质提供一个身份。但现在，LHC的实验结果已经清楚地表明，这些粒子并不在许多科学家预期的地方，我认为可以说，将大量的人力和智力资源集中在这样一个单一的、思辨性的想法上是一个错误。

在我看来，基础物理学有两个明确的开放性挑战。一个来自观测数据：暗物质的未知性质。另一个来自当前物理学的不完整性：缺乏一个关于在量子引力效应不能被忽视的情况下会发生什么的共识解释。这些情况包括广义相对论预测时空会变得无限弯曲的黑洞内部，或者当时间倒回到非常早期、炎热且压缩的宇宙时。与其他在基础物理学中被解决的问题不同，这两个开放性问题并非基于对超出我们已知事物的可能性的猜测，而是基于我们不理解的实际现象。

目前，我们对这两个问题的解决方案还没有达成共识。但两者可能都可以用已知的物理学来解决：广义相对论和量子力学。一些初步的量子引力理论，如我参与开发的圈量子引力，以及暗物质可能是由量子理论可能稳定的微小黑洞构成的想法，就是这种可能性的证明。这些研究方向并非基于猜测新的物理学。

这是弦理论所采取的方法，它试图通过将标准模型中的点状粒子重新发明为称为弦的一维物体来创建量子引力理论。相反，这些更为保守的方法是基于试图从已建立的物理学中提取更多内容，就像狭义相对论成功地从伽利略相对论和麦克斯韦方程中提取新知识一样。

像狭义相对论一样，这些研究方向要求进行概念上的飞跃，并采用不熟悉的数学形式来取得进展。这两点都使许多理论物理学家望而却步。例如，圈量子引力摒弃了依赖于时空坐标的场。但我的观点是，正是在改变概念和理论习惯中，科学才能真正实现激进。

基础理论物理学中有一种健康的危机感。危机是好事，因为它们促使科学家质疑基本的假设和方法。在理论物理学中，有时流行的说法是缺乏足够疯狂的、全新的想法。但也许问题是物理学家们追逐新奇想法太多。新的知识将在新的数据真正与我们所知不符时出现；或者通过对既定理论，如广义相对论和量子理论，当它们被放在一起考虑时所蕴含的意义进行深入思考。

来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01465-6