科學的標準從未改變

苗千

劍橋大學理論物理學家戴維·唐（David Tong）教授是世界著名的弦論學家和量子引力學家。他講授量子場論的視頻在網絡上廣為流傳，他也登上英國皇家學會的講臺，為公眾生動地講解理論物理學研究的現狀和未來，描述出一位理論物理學家眼中神奇的自然界。

2018年4月，戴維·唐在他的辦公室里接受了《三聯生活周刊》的采訪。在他看來，對于什么是好科學的標準，從來都沒有改變過?！翱茖W理論之所以如此強大，正是因為我們有著最嚴格的驗證標準?！?p>

劍橋大學理論物理學家戴維·唐

科學家需要保持耐心

三聯生活周刊：你認為在現代，科學的標準是否已經改變了？可證偽性（Falsifiability）是否仍然是驗證科學理論最重要的標準？

戴維·唐：對于什么是好科學的標準一丁點都沒有改變過。對于科學共同體來說，一個理論是否能被接受，需要實驗證據，還需要經受各種反復的質疑。盡管現在可能很多流行媒體都在宣傳科學的標準需要改變了，但是我并不這么認為。目前有一些科學家說有些理論，比如說超弦理論（Superstring Theory），可能永遠都無法被實驗證實，因此科學的標準需要改變，這是完全不對的。

我們不可能因此就改變對于科學理論的質量要求?？茖W理論之所以如此強大，正是因為我們有著最嚴格的驗證標準。其中最重要的一個原因就是，任何人都有可能犯錯。如果你犯了錯，就需要能夠被發現并且做出改變。比如說，我們可以拿弦論做例子，最重要的一點在于想要驗證它很困難，實際上想要驗證任何關于量子引力方面的理論都非常困難，因此弦論還沒有完全被科學界所接受。

我會讀到很多理論物理學博士的申請，在每一份申請中都會出現同一句話：“20世紀物理學最重要的兩個支柱就是量子力學和廣義相對論，而目前還沒有人知道如何把這兩個理論合二為一。”這句話當然是正確的，但是我想在現代，人們起碼有了一個看起來有可能成功的嘗試，可以把這兩個理論結合起來，這就是弦論。但是無論你嘗試著使用什么樣的理論框架去做，都會非常困難。原因很簡單，目前我們能夠探究到的最小的事物尺度就是在歐洲核子中心（CERN）利用大型重子對撞機（LHC）進行的實驗，這仍然與我們想要探究的尺度差著15個數量級。想要跨越這個鴻溝會非常困難。我想起碼在我的生命里是肯定看不到能夠進行這樣（跨越了15個數量級，直接探測弦論所描述的事物尺度）的實驗了。

三聯生活周刊：如果是這樣的話，對于科學理論的可證偽性又如何能夠繼續成立呢？

戴維·唐：科學研究不是短時間的，它可能需要幾個世紀的努力。至于一個理論是否可以被證偽，這是一個和時間有關的話題。在當下弦論很難被證實或證偽，但是我想在未來還是有機會的。實際上我們可以拿原子論做一個類比。就算我們不認為原子論是從古希臘時代出現的，關于原子的現代科學理論應該也是在18世紀上半葉就出現了。當時的科學家通過思考原子的相互碰撞，提出了氣體的原子理論，他們也計算了氣體溫度和氣體原子運動速度之間的關系。

科學家在當時提出的原子理論就像是現代的弦論。如果你假定弦論是正確的，你可以由此推導出廣義相對論——而如果在當時人們假設原子存在，就可以由此推導出理想的氣體方程。但是當時沒有人對原子理論太認真，大多數物理學家也是直到19世紀后期，直到詹姆斯·麥克斯韋的時代才真正開始對原子理論感興趣起來，有些物理學家則是直到愛因斯坦的時代才真正相信原子論。這個理論被人們忽視了至少150年的時間，因為在當時已有物理學家有了一個極佳的想法，但苦于沒有實驗證據。

當然了，在這個例子中，原子確實存在，也有很多其他的例子，最后被證明其中的科學假設是錯誤的。我不知道對于弦論來說最終的結果會是屬于哪一種，但現在，這對于物理學來說是一個非常有前途的想法，而對于數學來說是一個非常棒的想法，所以它非常值得人們去探索。從這個角度來說，我們完全沒有必要去改變驗證科學的標準，同時我們也沒必要過早地聲稱弦論已經成功了。我們需要保持耐心。

美國物理學家愛德華·威騰

三聯生活周刊：我們現在是正處于一個科學知識爆炸性增長的時代嗎？

戴維·唐：科學的發展當然會有快有慢，在有些時期科學進展非常迅速，比如20世紀20年代量子力學的進步。還有其他例子，比如在20世紀70年代，統計力學和量子相變研究的結合對于量子引力研究起到了很大推動作用，人們在這個時期奠定了量子引力理論的基礎。到了20世紀90年代，又是弦論的黃金時代，很多的新想法忽然涌現了出來。

目前我還沒有看到之前這樣的情形出現，但是確實有其他的一些事情正在發生。我想在不同領域的物理學家之間，人們開始發現彼此有非常多的共同點。比如說研究量子信息理論的科學家開始和研究引力理論和弦論的科學家交流，宇宙學家也開始和弦論學家交流，研究凝聚態物理學的科學家開始和高能物理學家交流……物理學是一個整體，但是在20世紀末期，因為物理學發展得太過龐大，讓人看不到它的全貌，物理學家們只是關注自己所研究的領域，但我發現很多不同領域的物理學家又開始重新結合在一起，意識到他們可能正出于不同的目的而研究著相同的問題。我認為這個現象很讓人激動，但是我不知道它將把物理學引導到什么方向去。

三聯生活周刊：如果說科學的標準沒有改變，那么科學家們改變了嗎？現在的科學家是不是更像政客，因為他們不僅需要做研究，還需要去“推銷”自己的理論？

戴維·唐：我想其實一直都是這樣的，唯一的區別可能就在于當代媒體的介入。與“推銷”不同的是，我想科學家們去宣講和推廣自己的理論的時候，都是完全相信它們的。如果我們回顧歷史，一直都有很多明星式的被大眾所熟知的科學家，比如19世紀初期的漢弗萊·戴維（Humphry Davy），當年他在英國皇家學會的演講一票難求，倫敦很多社會名流每周都去聽他的講座，可以說他就相當于今天的布萊恩·考克斯（Brian Cox，曼徹斯特大學的明星級物理學家）。之后的亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington，英國著名物理學家，以驗證了愛因斯坦的廣義相對論而聞名）也是一樣的，他們既是社會名人，又是非常了不起的科學家。當然也有的人是非常杰出的科學家，但是并不善于和公眾打交道，比如愛德華·威騰（Edward Witten），他可能是現在所有理論物理學家當中對于量子引力理論理解得最深刻的一位，他也可以做非常好的公眾演講，但是他不善社交，不善于做電視節目，所以說現代社會與之前最大的區別就在于媒體可以選擇把某種理論向大眾推銷。

三聯生活周刊：你支持“多重宇宙”理論嗎？

戴維·唐：我想如果不承認多重宇宙正確的可能性在科學上是錯誤的，它當然是可能的。我們的宇宙學研究目前在理解“宇宙常數”（Cosmological Constant）方面有很大的困難（這個常數的數值恰好可以允許生命在宇宙中存在），我想對于這個問題唯一合理的解釋可能就是存在著多重宇宙。當然這也不是說我們應當堅信存在著多重宇宙，因為這個問題也同樣非常地難以檢驗，因此我對這個問題也提不起太大的興趣。你可以就這個話題和物理學家或數學家陷入永恒的爭論——我們并不是哲學家。

英國物理學家亞瑟·愛丁頓

數學是自然的語言

三聯生活周刊：你是否認為所有的自然規律都是通過數學的語言來書寫的？

戴維·唐：當然了，這一點毫無疑問。人類文明最偉大的成就，就是通過數學手段來尋找自然的規律，并且希望通過最美麗也是最簡單的數學公式來描述宇宙。比如說很多人涌入一個地鐵站，你會希望用某種數學模型來描述這個社會現象。但是你會發現越是希望描述準確，數學公式就會越復雜，因為必須考慮各種各樣的情況。但是在物理學研究中卻不是這樣的，在建立一個理論模型時，你會希望數學公式越簡單越好。當然在不同的物理學領域里會需要不同的數學框架，但是你也會發現在所選擇的數學框架中，公式總會是最簡單的。因此我們有非常有力的證據顯示，自然規律確實是以數學語言書寫的。這正是科學的力量之所在。

三聯生活周刊：有人認為物理學家需要經常和同行交流以保持對學科前沿發展的了解，而數學家則需要獨處，在寂靜中進行深刻的思考，事實真是這樣嗎？

戴維·唐：在這方面我說不好，我自己確實需要經常和同行們進行交流，而且我想數學家們也需要經常相互交流。當然在這方面有一些關于數學家的傳說，比如安德魯·懷爾斯（Andrew Wiles，英國數學家，因證明了費馬大定理而聞名）自我放逐了多年，一心只為了解決一個數學問題。但我想大多數的數學家都只是正常人而已，他們進行研究也需要和其他人經常交流。

三聯生活周刊：你認為一個數學家和一個理論物理學家最根本的區別在哪里？

戴維·唐：我會認為區別在于他們進行研究的動機。實際上在今天這個問題越來越難回答了，因為數學家和物理學家之間的鴻溝已經消失了，因此有些人可以作為一個數學家卻在研究物理學問題。而對我來講，我可能是介于一個數學家和一個理論物理學家之間，但是說到底還是要由研究的動機所決定。比如我每天起床所想到的都是要去理解宇宙的規律，這讓我成為了一個物理學家，同時我也希望能夠看到漂亮的數學成果，希望能夠從漂亮的數學成果中發現新的物理學。但是根本上，激勵我進行研究的并不是數學。當然我也有朋友是接受了理論物理學的訓練，但是他對數學研究更有興趣，他能夠在其中發現數學的純粹性與美。當然了，也有真正的數學家，對自然法則完全不關心，只對數學結構有著深沉的愛。

三聯生活周刊：在你的一個演講中，你提到了在物理學研究中有兩個發展方向：一個是向下發展，探索越來越基礎的理論;另外一個是向上發展，探索越來越復雜的自然現象。目前在基礎物理學領域還有另外一個方向，就是對量子力學的解釋問題。你是否認為這也是一個重要的方向，或者只是一個形而上學的問題？

戴維·唐：在實際中，這方面我絕對是一個“閉嘴，去做計算”（shut up and calculate，指以一種實際的態度對待量子力學，不去探究它的深層原因，而是利用數學公式去做計算）類型的物理學家。因為當我們談到科學的“可證偽性”，量子力學算得上是一個在各個方面都被嚴格證明了的偉大理論，它在各個方面都做出了驚人準確的預測，經過了起碼數百萬次的驗證。如果它顯示自然界（在微觀領域）是以概率化的形式展示的，那么你完全可以去接受它。目前我們所獲得的所有證據都顯示自然規律確實是這樣的。

從另一個方面來說，目前對量子力學有各種各樣的“解釋”，但是我們很難想象能夠用任何的實驗來確定哪一種解釋是正確的——這就讓它（解釋量子力學）變成了一個不那么吸引人的問題了。對量子力學提出一個“解釋”或許會讓你感覺到舒服一些，但是我認為它在科學上不是一個很急切的需要被解決的問題。當然了，在這個方向的研究確實讓人對量子力學的理解更深刻了，比如說貝爾不等式的提出，而且在過去了100多年之后，我們仍然在追問“量子力學究竟意味著什么”這樣的問題，實際上我們并沒有取得任何進展。可能一些物理學家在退休之后會愿意思考這類問題，但它現在對我來說確實不是特別的有吸引力。

三聯生活周刊：人們不停地提到“大統一理論”，說它為物理學的“圣杯”。它是目前物理學發展的唯一方向嗎？我們現在接近得到一個大統一理論了嗎？

戴維·唐：我想相比于20世紀80年代，我們現在離所謂的“大統一理論”更遠了。在當時，物理學家們都以為自己馬上就要成功了。這和我們研究量子引力問題的情況是一樣的，這將是一個漫長的過程，我們目前認識到有三種相互作用，而三種相互作用每一種都有一個耦合常數來決定這種相互作用的強度?！榜詈铣怠边@個名字并不準確，因為它并不是一個常數，它與能量相關，而且每一個耦合常數都是不一樣的，你需要通過實驗去觀察和測量它們，然后再通過理論計算去探索它們如何根據能量范圍的變化而變化。

我們目前只能在一個很小的能量范圍內觀測它們，然后再把它們延展到一個很高的能量區域，（在很高的能量區域）你會發現這三種相互作用統一在了一起，這就是目前我們關于實現“大統一理論”最強有力的證據了，這種統一發生在大約1015GeV（GeV是高能物理學領域的能量單位，1GeV=1.60217662×10-10焦耳）的能量區域內。這個能量也非常接近量子引力理論所描述的能量范圍。關于這樣的“大統一理論”，起碼我們已經暢想了30年，但是我們是否能獲得關于“大統一理論”的切實證據？我想恐怕很難，但是起碼在現在它看起來是個非常美妙的主意。

英國化學家漢弗萊·戴維

這一切都和能量相關。目前我們已經有了大型重子對撞機，它的粒子對撞能量可以達到TeV的范圍（1TeV=1000GeV）。這個范圍內粒子標準模型還非常準確，但是從目前我們可以達到的1000GeV到“大統一理論”所描述的1015GeV，這個鴻溝我們完全無法跨越，所以問題就在于我們去哪里尋找新的物理學?，F在有人就不再去關注“大統一理論”所描述的能量范圍，而是轉而關注TeV能量范圍，因為在這個領域物理學家們可以做出預測，也可以通過實驗進行驗證。在這個能量領域里我們也還有很多的迷惑，比如說目前人們對于希格斯玻色子的質量問題就還不清楚。

究竟什么是弦論

三聯生活周刊：你能否向讀者用非常淺顯的語言解釋一下弦論，M-理論和圈量子引力（Loop Quantum Gravity）理論？

戴維·唐：我們發現在自然界中存在著等級問題，比如說從分子，到原子，到質子和中子，還有電子和夸克等等。而目前我們的知識就停在了這里，我們不知道任何比電子和夸克更小的東西。而弦論認為，當你向更基礎的尺度去尋找，無論它是什么，它都將不再是某種粒子，而是一種振動的閉合的弦。這和我們在生活中理解的弦并沒有本質的區別，區別在于它們如何振動。

電子、夸克，或許還有光子、引力子等等，可能都是由振動的弦構成的。但是目前人們發現想要用數學描述出振動的弦是一件非常困難的事情。尤其是在20世紀70年代，人們發現要寫出與量子力學相適應的弦論方程非常困難——物理學家們花了大約10年的時間才成功。但是最神奇的地方在于，一旦你寫出了與量子力學相符的弦論方程，你就可以從中推導出關于物理學的所有定律：你可以從中推導出愛因斯坦的廣義相對論、狄拉克方程、麥克斯韋方程，強相互作用的理論和弱相互作用理論，希格斯玻色子……這非常地令人震驚。這正是人們對弦論著迷的原因，它可以成為物理學的基礎架構。但是弦論也帶來了額外的東西，比如說它認為空間不是只有三個維度，而是還存在著更多的維度。雖然它并沒有做出非常精確的預測，但是它可以給出正確的數學公式，它帶給物理學家很多的選擇。

有人問能否利用弦論進行預測。問題就在于，弦論給出了眾多的維度，這給物理學家們很大的自由，可以利用多余的維度做很多事情，但是也因此可以推導出各種各樣不同的結果——不同的粒子、不同的相互作用等等。這可能正是弦論的問題，太多的可能性，太多的答案，因此就很難利用它做出任何獨特的、唯一的預測。

而關于M-理論，我們寫的關于弦論的方程，是建立在弦的尺度是非常小的基礎之上的，人們在很長的時間里都無法想象弦的尺度變大的場景，但是這個問題在20世紀90年代被一些物理學家解決了，得出的理論就叫作M-理論。從這個角度來說，M-理論可以說是弦論的一部分，當然了也有人認為弦論是M-理論的一部分，或者可以說這是對于弦論的一個重塑。M-理論認為，空間有隱含的維度，它總共有10個維度，因此我們所說的“弦”（String）實際上是一種“膜”（Membrane）。

關于圈量子引力理論，它的基礎在于其實它并沒有特別有創造力的想法，而只是回歸到了愛因斯坦方程——寫出愛因斯坦方程的離散形式，然后把它應用到非常小的時空尺度，再試著對公式進行量子化。問題在于，自然界是以不同的尺度進行組織的，在不同的尺度下看上去可能完全不同。比如說我們看到的夸克和原子、分子尺度的規則就完全不同。因此我們完全沒有理由認為愛因斯坦的引力理論在極小的尺度下仍然成立——它應該看上去完全不同，它應該只是在比如太陽系、銀河系這樣的大尺度范圍才成立。

我想這可能正是圈量子理論的問題所在，圈量子引力學家們一直都沒有做出開創性的發展，他們希望得出在極小尺度下的相對論的離散形式，但是他們必須展示出這個版本在大尺度下也同樣有效。他們或許會說這是個困難的問題，但我認為廣義相對論在微小的尺度下不一定成立。目前在量子引力理論方面有很多的嘗試，當然也應該有很多嘗試，但是我必須說目前能夠在小尺度下推導出量子力學、在大尺度下推導出廣義相對論的理論，只有弦論。

三聯生活周刊：你認為自己是一個弦論學家嗎？

戴維·唐：我曾經這么認為，但是現在不了。因為坦白地講，我認為弦論可能不是自然界的一個基礎理論。如果我們回顧物理學的發展史，就會發現自然界的規律很少是人們之前所想象的那樣，而且我也很難想象我們能夠跨越15個數量級的能量范圍，去正確地理解自然界。現在我們還有非常多的謎團沒有解開，目前我們解釋自然界的理論是量子場論，所以我非常關心的是如何去理解和發展量子場論，因為關于這個理論我們也還有很多不清楚的地方。所以你可以把自己一生的工作目標確定為理解量子場論的所有可能性，再加上超對稱理論，其中也有著很多可能。但當你認真地研究量子場論，弦論又會從中浮現出來，所以我們可以認為弦論是量子場論的一個特殊版本。弦論當然會給物理學家帶來很多靈感，但是我不會自稱為一個弦論學家，我會說自己是一個量子場論學家，或者只是一個理論物理學家。

三聯生活周刊：目前物理學界對于弦論也有很多相反的看法，這是否說明物理學正處于危機之中？

戴維·唐：我想情況本來就該是這個樣子，因為我們所談論的是科學的最前沿。我們不知道自己正在往哪兒去。在研究過程中總會是這個樣子的，而且大家有不同的意見很重要。目前關于弦論有很多的誤解，很多人都會曲解弦論。雖然對于大眾來說，最簡單的方法就是說弦論是人們所追求的“大統一理論”，但實際上它可能是，也可能不是。

對我來說更重要的是物理學的各個領域結合在一起形成一個整體。當它實現的時候，你會發現我們對自然界有了更深的理解，你原本不理解的東西忽然變得非常熟悉，這才是研究物理學最大的樂趣，這也正是研究弦論所獲得的樂趣。所以我確實不知道弦論是否能夠正確地描述自然界，或者是所謂的“大統一理論”，但它確實是物理學家進行研究的一個有力工具，它對于我的研究工作非常重要。

三聯生活周刊：你在理論物理系的高能物理學組工作，那么你是否認為中國應當花費100億美元去建設一個超級對撞機？

戴維·唐：當然。對于這個項目可能實現的成就來說，100億美元實在是太便宜了！因為人們依靠這樣的一個超級對撞機可能做出各種各樣的重大科學發現，而且這樣的一個機器將讓中國成為世界物理學研究的中心——這會完全改變世界科研的格局。歐洲核子中心作為世界高能物理學研究的中心已經維持了60年，美國在發現夸克等工作中也發揮了重要作用。而現在，如果我們能再上一個臺階那就太好了！美國政府現在基本上撤銷了所有對高能物理學領域研究的投資，也撤銷了對美國航空航天局（NASA）的很大一部分投資，現在看起來他們好像準備把從這里省出來的錢去建一堵隔絕美國和墨西哥的墻。

現在看來中國正處在建造這樣一臺超級對撞機的絕好時機。當然也存在這樣一種可能性，就是建造出了一臺超級對撞機，但是它并沒有做出任何重大發現。在歷史上我們確實有這樣的經歷，我們把實驗的能量范圍擴大了100倍，但是仍然沒有什么重大發現，看起來宇宙可能就是這樣的。有可能我們在粒子標準模型之外沒有任何發現，但是究竟為什么會這樣呢？這只有當我們真正去探索了才知道會發生什么。大型重子對撞機在科學上是一個極大的成功。我們或許可以指望幾個理論學家坐在辦公室里做計算，但是科學想要取得真正的進展，永遠都需要通過實驗去驗證——而且這個花費確實不算太高。