物理学的新危机

美国达特茅斯学院物理学教授马塞洛·格莱泽

1687年牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》出版，标志着物理学以一种前所未有的清晰和优美的方式诞生，牛顿利用数学公式描述出上帝构造世界的手法，也使物理学家站在了仅次于上帝的位置，为全人类讲解世界运行的规则。物理学自诞生起就一直在自然科学中处于领导地位，到了19世纪，大部分物理学家都认为，经典物理学大厦已经完成，对于未来的物理学研究，只剩下一些装饰性的工作。

在19世纪的最后一天，英国物理学家开尔文男爵对全欧洲的物理学家致辞，他在回顾物理学所取得的伟大成就时，仍然不忘提及在物理学美丽而晴朗的天空上有两朵乌云——以太问题以及黑体辐射问题。随后正是经典物理学上空的这两朵乌云，在20世纪摧毁了整个经典物理学体系，又催生了现代物理学的两大支柱——相对论以及量子力学。物理学翻开了崭新的一页，物理学家们变得前所未有的谦卑，他们不再认为自己能够洞察上帝的心思，而是谨慎地猜测上帝是否在掷骰子。

现代物理学所解释的范围更加广阔，随着现代宇宙学的诞生，物理学家们开始以整个宇宙作为研究对象，推测宇宙的诞生过程，预测宇宙的未来，物理学几乎已经取代了宗教和哲学的位置。现代物理学的发展在2012年达到顶峰，欧洲核子中心的大型重子对撞机在实验中发现了希格斯玻色子，这意味着理论物理学家在20世纪60年代提出的“标准模型”正式完成，现代物理学的两个分支——实验物理学和理论物理学在这里完成汇合。

在标准模型完成几年之后，越来越多的物理学家开始怀疑，物理学是否需要一场新的革命，才能产生出一种更完备的理论，或者是一种全新的科学哲学？2014年12月，开普敦大学的理论物理学教授乔治·埃利斯（George Ellis）与巴黎天体物理学研究所和约翰·霍普金斯大学的物理学教授乔·斯尔克（Joe Silk）共同在《自然》杂志上发表文章《保卫物理学的完整性》（Defend the Integrity of Physics），探讨物理学乃至科学哲学发展的未来——实验物理学与理论物理学是否还会在未来的某处相会，理论物理学将向何处发展，理论物理学是否会从自然科学中分裂出去。2015年6月5日，美国罗切斯特大学的天体物理学教授亚当·弗兰克（Adam Frank）与达特茅斯学院的物理学教授马塞洛·格莱泽（Marcelo Gleiser）又在《纽约时报》上发表文章《在物理学边缘的危机》（A Crisis at the Edge of Physics），继续探讨新物理学的危机——未来的物理学理论是否还需要得到实验的证实？或者说，判断一个理论是否是科学理论的依据又是什么？

科学哲学家卡尔·波普尔（Karl Popper）认为，一个理论可以被称为科学理论的基础应该是其可证伪性，即交给自然来检验一个理论成立与否。但是，在标准模型完成之后，一些理论物理学家认为，如果一个理论足够优美，那么即使它无法被实验验证也可以被认为是一个科学理论。“美”是足够的吗？人类又如何判断一个理论优美与否？自弦论诞生以来，一直都有弦论学家持有类似的观点：如果弦论（是唯一一个）可以解释一切自然现象的理论，那么它就是正确的。原因在于弦论到目前为止仍然难以通过实验来验证，而且（很多人认为）这是目前唯一一个可以解释整个宇宙，完成物理学“大统一”的理论，尽管它假设在空间极微小的尺度下存在着11个维度，而至今还没有任何实验可以证实这一点。

英国物理学家开尔文男爵

越来越多的理论物理学家以及宇宙学家们希望可以摆脱实验验证，以及可证伪性的束缚，将一些在数学上足够优美，或是一些足以解释目前人类观察到的宇宙现象的理论纳入科学理论的体系中，也有一部分原因在于在标准模型完成之后，物理学家们在欣喜之余，发现自己走在了一条死路上。标准模型是一个描述基本粒子种类和行为的完美理论，它不仅有优美的数学形式，也通过了实验的验证，但这个理论本身是封闭性的。目前人类在各个粒子对撞机中获得的实验数据都没有超出标准模型描述的限制之外，这让很多粒子物理学家感到失望。但是这个理论的局限又是如此明显，它对于引力作用、暗物质、暗能量等自然现象无能为力，无法将它们也纳入自身的体系之中，而弦论作为最为流行的大统一理论，自然开始被越来越多的理论物理学家所接受。弦理论预测，在两类基本粒子——费米子和玻色子之间存在着一种“超对称”，因此宇宙中的基本粒子的数量应该是标准模型描述的两倍——每一个基本粒子都存在另一个“超粒子”，但是在目前世界上任何粒子对撞实验中都没有发现任何超粒子的存在。尽管如此，超对称理论仍然不可能被证伪，因为相信它正确的理论物理学家们始终相信超粒子的能量存在于对撞实验的能量范围之外而无法被发现。

与弦论类似，在宇宙学中也有一个类似的优美却无法被证伪的理论，这就是多重宇宙理论。多重宇宙理论尽管无法通过实验验证，却足以解释人类面对量子力学和自身存在产生的疑惑。可以说量子力学对于自然本质的概率性解释是多重宇宙理论的起源，当人们面对“薛定谔的猫”——一只在量子力学描述下同时处于生与死两种状态之中的猫时，多重宇宙理论的信仰者们认为，另一个宇宙便产生了出来，在两个平行宇宙中薛定谔的猫分别处于生和死两种状态，这样一来，量子力学的悖论便被解开了。每当人们面临一个选择问题，每当一个事物可能有不同的发展，都会分裂出不同的宇宙——也就是说，有无数的宇宙，分别承载无数的可能性。多重宇宙理论同样可以解释人类在宇宙中奇迹般的存在，为什么宇宙中的一些性质（例如精细结构常数的数值）恰到好处可以容纳生命存在？根据多重宇宙理论的解释，无穷多的宇宙拥有无穷多的不同性质，生命只是在合适的宇宙中存在而已，并不存在任何巧合。

物理学家们如此急于寻找一个大统一理论，希望在经典物理学之后再一次建造一座容纳一切自然现象的物理学殿堂，而理论物理学家们现在已经远远地走在了前面。各种完美的理论，是否真正与自然相对应？人类是否可以改变科学哲学的基础，改变对于科学理论的判定标准？或者说，理论物理学是否已经超出了自然科学，在数学、自然科学和哲学之间拥有了自身独立的准则？也许物理学家是时候对此进行认真的讨论和反思了。

（本文写作参考了《自然》杂志和《纽约时报》的报道） 科学科普物理宇宙起源宇宙物理学宇宙学自然科学理论物理危机现代物理学