美即真理，真理即美？
美即真理，真理即美？S. Hossenfelder
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撰文：Sabine Hossenfelder
谁不喜欢美丽的想法呢？至少物理学家肯定是喜欢的。在物理学的基础上，喜欢更优美的假设已成为惯例。物理学家认为，他们的动机并不重要，因为到了最后，假设都必须经过检验。但他们的大多数美好想法都很难或根本不可能被检验。每当实验一无所获时，物理学家就可以修正理论以适应零结果。
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○ 在大型强子对撞机中模拟出的黑洞产生和衰变信号。| 图片来源：CERN/ATLAS
这种情况已经持续了约40年。在过去的这40年里，以美学观点为主的理论研究得到了蓬勃发展，比如超对称、多重宇宙和大统一理论等等，并且已经有成千上万的科学家投身在相关领域。在这40年中，社会已经投入了数十亿美元进行实验，却没能发现任何证据来支撑这些美丽的想法。而在这40年里，物理学的基础没能出现重大突破。
有科学家认为，美的标准是基于经验的。我们目前拥有的最基本理论——粒子物理学的标准模型和爱因斯坦的广义相对论——在某些方面是美丽的。假如更多的基本理论拥有着相似的美妙，那么我认为这值得一试。但是，我们已经试过，并且没能成功。尽管如此，物理学家仍在基于同样的三个标准来选择理论：简单、自然和优雅。
这里说的简单并不是指“奥卡姆的剃刀”，它说的是在两个能够达到相同结果的理论中，更简单的那个通常是正确的。不，这里的意思是绝对的简单——理论就应该简单，句号。当物理学家认为某些理论还不够简单时，他们会试图将它们简化——例如通过把几个力统一起来，或者假设能将粒子组合成有序集合的新的对称性。
第二个标准是自然。自然是一种试图摆脱人为因素的尝试，它要求理论不应该用看起来是人工选择的假设。这一标准最常被用于没有单位的常数值，例如基本粒子质量的比值。自然要求这样的数字应该接近1，或者如果不是这种情况的话，理论则需要解释为什么不是。
然后就是优雅，这是美的第三个也是最难捉摸的方面。它通常被描述为简单与惊喜的结合，两者结合在一起，揭示新的联系。我们在“啊哈效应”（Aha effect）中找到了优雅之处，那是顿悟时刻的灵光乍现。
物理学家目前认为，根据这三个标准，如果一种理论是美丽的，那么它就具有前景。这使他们作出例如质子应该会衰变的预测。自上世纪80年代以来，物理学家一直想要通过实验来寻找质子衰变的证据，但迄今仍未成功。理论学家还预测，我们应该能够探测到暗物质粒子，如轴子或大质量弱相互作用粒子（WIMPs）。为此我们已经开展了几十个实验，但还是没能发现任何假设的粒子——至少到目前为止都没有。同样的基于对称性和自然的标准使许多物理学家相信大型强子对撞机（LHC）应该看到除希格斯玻色子之外的新事物，例如所谓的“超对称”粒子或额外的空间维度，但到目前为止还没有找到任何线索。
那么在这一研究变得荒谬之前，我们能将它推进多远？如果一个理论变得越来越简单，它最终将会变得无法预测，因为这一理论不再包含能进行计算的足够信息。所得到的便是现在理论家所说的“多重宇宙”——一个拥有不同自然法则的无限宇宙集合。
例如，如果在使用万有引力定律时不通过测量来确定牛顿常数的值，那么可以说，对任何一个常数值，这一理论都包含一个不同的宇宙。当然，你必须假设在我们生活其中的宇宙，万有引力常数恰好具有牛顿常数的值，正如我们碰巧测量到的那样。这样看来，我们并没有多少收获，或许除了一个好处，那就是对于理论物理学家来说，他们可以就这么多的新宇宙发表论文了。更好的是，其他宇宙都是不可观测的，因此从实验测试的角度看来，多重宇宙理论是安全的。
我想是时候谈论科学史了。作为理论发展的指导，美并没有良好的记录，许多美丽的假设都是错误的。比如开普勒（Johannes Kepler）曾提出，行星轨道嵌套于被称为“柏拉图固体”（Platonic solids）的规则正多面体中，或者原子是无形的以太中的结，又或者宇宙处于一种“稳定状态”而非不断膨胀。
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而其他一些曾被认为丑陋的理论，却经受住了时间的考验。当开普勒提出行星的运行轨道是椭圆而非圆形时，与他同时代的许多人都认为，这理论简直丑陋到不可能是真的。物理学家麦克斯韦（James Maxwell）曾对自己关于电场和磁场的理论持犹疑态度，因为在他那个时代，美的标准是齿轮和螺栓。狄拉克（Paul Dirac）曾斥责麦克斯韦理论后来的版本很丑陋，因为它需要复杂的数学技巧来消除无穷大。然而，那些被认为丑陋的想法却是正确的，它们沿用至今，没有人再觉得它们丑陋。
历史还给了我们第二个教训。尽管美被认为是许多物理学家强烈的个人意愿，但那些导致突破的问题不仅仅是出于美学上的疑虑，更多是因为数学上的矛盾。例如，因为与麦克斯韦的电磁学存在矛盾，爱因斯坦抛弃了绝对时间的概念，继而创立了狭义相对论。接着，他又解决了狭义相对论与牛顿引力之间的矛盾，于是得到了广义相对论。狄拉克后来消除了狭义相对论和量子力学之间的分歧，这带来了量子场论的发展，我们至今仍在粒子物理学中使用。
希格斯玻色子的诞生也是出于对逻辑一致性的需求。2012年，在LHC上发现的希格斯玻色子，是确保标准模型有效性的必要条件。如果没有希格斯粒子，粒子物理学家会得出概率大于1的计算结果，这显然是数学谬论，无法用来描述现实。当然，数学没有告诉我们它一定是希格斯玻色子，它可能是别的东西。但在LHC建成之前，我们就知道一定会有新的事物出现。这种推理是建立在坚实的数学基础之上的。
另一方面，超对称粒子美则美矣，却并不必须。它们被用来修正当前理论中的一处瑕疵，也就是缺乏自然。不具备超对称的理论在数学上没有任何过错，它只是不够优美。粒子物理学家利用超对称性来弥补这一能感知到的缺陷，从而让理论变得更加完美。因此，预测LHC应该能观测到超对称粒子，不过是基于主观希望而非合理的逻辑。的确，超对称粒子至今也没有被发现。
从这些零结果中可得出的结论是，当物理学试图纠正人们感知的美感缺陷时，我们把时间浪费在了那些并非真正的问题上。在讨论世界是否需要建造下一个更大的粒子对撞机或另一个暗物质探测器之前，物理学家必须现在就重新思考他们的方法。
答案当然不可能是一切进展顺利，还存在很多问题等待我们去解决。原则上说来，新理论应该解决现有问题的观点是好的，只是目前，问题本身还没有尖锐地显现出来，不足以让这一标准发挥作用。推理的概念与哲学基础在物理学基础上是很薄弱的，这是必须加以改进的地方。
要求自然符合我们对美的理想是没有用处的，也不是好的科学实践。我们应该让证据引导我们走向新的自然法则。相信美定会在那里等着我们。
原文标题为“Beauty is truth, truth is beauty, and other lies of physics”，首发于2018年7月11日的Aeon。原文链接：https://aeon.co/ideas/beauty-is- ... her-lies-of-physics。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准
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