美即真理，真理即美？

原標題：美即真理，真理即美？

授權轉自：原理

撰文：Sabine Hossenfelder

誰不喜歡美麗的想法呢？至少物理學家肯定是喜歡的。在物理學的基礎上，喜歡更優美的假設已成為慣例。物理學家認為，他們的動機並不重要，因為到了最後，假設都必須經過檢驗。但他們的大多數美好想法都很難或根本不可能被檢驗。每當實驗一無所獲時，物理學家就可以修正理論以適應零結果。

○在大型強子對撞機中模擬出的黑洞產生和衰變信號。| 圖片來源：CERN/ATLAS

這種情況已經持續了約40年。在過去的這40年里，以美學觀點為主的理論研究得到了蓬勃發展，比如超對稱、多重宇宙和大統一理論等等，並且已經有成千上萬的科學家投身在相關領域。在這40年中，社會已經投入了數十億美元進行實驗，卻沒能發現任何證據來支撐這些美麗的想法。而在這40年里，物理學的基礎沒能出現重大突破。

有科學家認為，美的標準是基於經驗的。我們目前擁有的最基本理論——粒子物理學的標準模型和愛因斯坦的廣義相對論——在某些方面是美麗的。假如更多的基本理論擁有著相似的美妙，那麼我認為這值得一試。但是，我們已經試過，並且沒能成功。儘管如此，物理學家仍在基於同樣的三個標準來選擇理論：簡單、自然和優雅。

這裡說的簡單並不是指「奧卡姆的剃刀」，它說的是在兩個能夠達到相同結果的理論中，更簡單的那個通常是正確的。不，這裡的意思是絕對的簡單——理論就應該簡單，句號。當物理學家認為某些理論還不夠簡單時，他們會試圖將它們簡化——例如通過把幾個力統一起來，或者假設能將粒子組合成有序集合的新的對稱性。

第二個標準是自然。自然是一種試圖擺脫人為因素的嘗試，它要求理論不應該用看起來是人工選擇的假設。這一標準最常被用於沒有單位的常數值，例如基本粒子質量的比值。自然要求這樣的數字應該接近1，或者如果不是這種情況的話，理論則需要解釋為什麼不是。

然後就是優雅，這是美的第三個也是最難捉摸的方面。它通常被描述為簡單與驚喜的結合，兩者結合在一起，揭示新的聯繫。我們在「啊哈效應」（Aha effect）中找到了優雅之處，那是頓悟時刻的靈光乍現。

物理學家目前認為，根據這三個標準，如果一種理論是美麗的，那麼它就具有前景。這使他們作出例如質子應該會衰變的預測。自上世紀80年代以來，物理學家一直想要通過實驗來尋找質子衰變的證據，但迄今仍未成功。理論學家還預測，我們應該能夠探測到暗物質粒子，如軸子或大質量弱相互作用粒子（WIMPs）。為此我們已經開展了幾十個實驗，但還是沒能發現任何假設的粒子——至少到目前為止都沒有。同樣的基於對稱性和自然的標準使許多物理學家相信大型強子對撞機（LHC）應該看到除希格斯玻色子之外的新事物，例如所謂的「超對稱」粒子或額外的空間維度，但到目前為止還沒有找到任何線索。

那麼在這一研究變得荒謬之前，我們能將它推進多遠？如果一個理論變得越來越簡單，它最終將會變得無法預測，因為這一理論不再包含能進行計算的足夠信息。所得到的便是現在理論家所說的「多重宇宙」——一個擁有不同自然法則的無限宇宙集合。

例如，如果在使用萬有引力定律時不通過測量來確定牛頓常數的值，那麼可以說，對任何一個常數值，這一理論都包含一個不同的宇宙。當然，你必須假設在我們生活其中的宇宙，萬有引力常數恰好具有牛頓常數的值，正如我們碰巧測量到的那樣。這樣看來，我們並沒有多少收穫，或許除了一個好處，那就是對於理論物理學家來說，他們可以就這麼多的新宇宙發表論文了。更好的是，其他宇宙都是不可觀測的，因此從實驗測試的角度看來，多重宇宙理論是安全的。

我想是時候談論科學史了。作為理論發展的指導，美並沒有良好的記錄，許多美麗的假設都是錯誤的。比如開普勒（Johannes Kepler）曾提出，行星軌道嵌套於被稱為「柏拉圖固體」（Platonic solids）的規則正多面體中，或者原子是無形的以太中的結，又或者宇宙處於一種「穩定狀態」而非不斷膨脹。

○開普勒的太陽系模型。| 圖片來源：pic-about-space.com

而其他一些曾被認為醜陋的理論，卻經受住了時間的考驗。當開普勒提出行星的運行軌道是橢圓而非圓形時，與他同時代的許多人都認為，這理論簡直醜陋到不可能是真的。物理學家麥克斯韋（James Maxwell）曾對自己關於電場和磁場的理論持猶疑態度，因為在他那個時代，美的標準是齒輪和螺栓。狄拉克（Paul Dirac）曾斥責麥克斯韋理論後來的版本很醜陋，因為它需要複雜的數學技巧來消除無窮大。然而，那些被認為醜陋的想法卻是正確的，它們沿用至今，沒有人再覺得它們醜陋。

歷史還給了我們第二個教訓。儘管美被認為是許多物理學家強烈的個人意願，但那些導致突破的問題不僅僅是出於美學上的疑慮，更多是因為數學上的矛盾。例如，因為與麥克斯韋的電磁學存在矛盾，愛因斯坦拋棄了絕對時間的概念，繼而創立了狹義相對論。接著，他又解決了狹義相對論與牛頓引力之間的矛盾，於是得到了廣義相對論。狄拉克後來消除了狹義相對論和量子力學之間的分歧，這帶來了量子場論的發展，我們至今仍在粒子物理學中使用。

希格斯玻色子的誕生也是出於對邏輯一致性的需求。2012年，在LHC上發現的希格斯玻色子，是確保標準模型有效性的必要條件。如果沒有希格斯粒子，粒子物理學家會得出概率大於1的計算結果，這顯然是數學謬論，無法用來描述現實。當然，數學沒有告訴我們它一定是希格斯玻色子，它可能是別的東西。但在LHC建成之前，我們就知道一定會有新的事物出現。這種推理是建立在堅實的數學基礎之上的。

另一方面，超對稱粒子美則美矣，卻並不必須。它們被用來修正當前理論中的一處瑕疵，也就是缺乏自然。不具備超對稱的理論在數學上沒有任何過錯，它只是不夠優美。粒子物理學家利用超對稱性來彌補這一能感知到的缺陷，從而讓理論變得更加完美。因此，預測LHC應該能觀測到超對稱粒子，不過是基於主觀希望而非合理的邏輯。的確，超對稱粒子至今也沒有被發現。

從這些零結果中可得出的結論是，當物理學試圖糾正人們感知的美感缺陷時，我們把時間浪費在了那些並非真正的問題上。在討論世界是否需要建造下一個更大的粒子對撞機或另一個暗物質探測器之前，物理學家必須現在就重新思考他們的方法。

答案當然不可能是一切進展順利，還存在很多問題等待我們去解決。原則上說來，新理論應該解決現有問題的觀點是好的，只是目前，問題本身還沒有尖銳地顯現出來，不足以讓這一標準發揮作用。推理的概念與哲學基礎在物理學基礎上是很薄弱的，這是必須加以改進的地方。

要求自然符合我們對美的理想是沒有用處的，也不是好的科學實踐。我們應該讓證據引導我們走向新的自然法則。相信美定會在那裡等著我們。

原文標題為「Beauty is truth, truth is beauty, and other lies of physics」，首發於2018年7月11日的Aeon。原文鏈接：https://aeon.co/ideas/beauty-is-truth-truth-is-beauty-and-other-lies-of-physics。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。

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