本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
在1990年的一次宇宙学会议上,我请与会者提名最聪明的在世物理学家。与会者包括斯蒂芬·霍金、迈克尔·特纳、詹姆斯·皮布尔斯、艾伦·古思和安德烈·林德等。爱德华·威滕获得了最多的票数(史蒂文·温伯格位居第二)。有些人认为威滕与爱因斯坦和牛顿处于同一级别。威滕过去和现在都以他在弦理论方面的工作而闻名,弦理论统一了量子力学和相对论,并认为自然界的所有力——包括引力——都源于在由许多额外维度组成的超空间中扭动的无限小粒子。
即使在当时,弦理论——一些爱好者(不包括威滕)称之为“万物理论”——也极具争议,因为似乎无法通过实验证实弦或它们据称居住的额外维度的存在。因此,一年后,当威滕勉强同意在普林斯顿高级研究院接受采访时,我感到非常激动。在我们的会面之后,我写了一篇关于威滕的简短人物特写,“超弦的魔笛手”,发表在1991年的《大众科学》上;以及为我的1996年著作《科学的终结》撰写了一篇更长的人物特写。以下是后者的摘录
我问威滕,他对批评者声称超弦理论不可检验,因此根本不是物理学的说法有何回应。威滕回答说,该理论预测了引力。“即使严格来说,这是一种后预测,因为实验是在理论之前进行的,但引力是弦理论的后果这一事实,对我来说,是有史以来最伟大的理论见解之一。”
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他承认,甚至强调,没有人真正理解这个理论,并且可能需要数十年才能产生对自然的精确描述。他不会像其他人那样预测,弦理论可能会导致物理学的终结。然而,他平静地确信,它最终会产生对现实的深刻新理解。“好的错误想法极其稀缺,”他说,“而与弦理论的宏伟壮丽相媲美的好错误想法从未出现过。”当我继续追问威滕关于可检验性的问题时,他变得恼火。“我认为我没有成功地向您传达它的奇迹、它令人难以置信的一致性、卓越的优雅和美丽。”换句话说,超弦理论太美好了,不可能是错误的。
最近,威滕赢得了著名的京都奖,该奖项由日本稻盛基金会设立,旨在表彰“为人类的科学、文化和精神进步做出重大贡献的人”。威滕在基础科学类别中获得了5000万日元,约合50万美元。京都奖网站声明:“威滕博士在理论物理学领域做出了重大贡献,30多年来一直是超弦理论戏剧性演变的领导者。此外,通过运用他的物理直觉和数学技能,他推动了数学的发展,并推动了许多数学家的前沿研究。”
我对威滕的特写报道相当尖刻。因此,当京都奖的一位宣传人员最近问我是否想采访威滕时,我感到惊喜。我提交了一些问题,威滕亲切地通过电子邮件回答了这些问题。
霍根:在1991年我采访您时,您说“与弦理论的宏伟壮丽相媲美的好错误想法从未出现过。”您仍然确信弦理论(或其后代M理论)最终会被证明是“正确的”吗?
威滕:我想我还是坚持1991年我说的话。从那时起,我们经历了第二次超弦演化以及许多令人惊讶的发展,在这些发展中,弦理论被用来更好地理解物理学(和数学)中的传统理论。所有这一切,如果人们假设我们正在做的事情走在正确的轨道上,那就最有意义了。(我的2005年文章“解开弦理论”给出了更详细的说明。)
霍根:您是否看到任何其他与统一物理理论竞争的理论?
威滕:没有任何有趣的竞争性建议。正如“解开”中所述,其中一个原因是,有趣的竞争性想法(扭量理论、非交换几何学等)倾向于被吸收到弦理论的更大图景中。竞争性的有趣想法非常零散,并且在被吸收到弦理论中时往往会获得力量。
霍根:据估计,有10500个版本的弦理论,每个版本都“预测”一个不同的宇宙。伦纳德·萨斯坎德和其他人提出,这些假想的宇宙实际上存在,形成了多元宇宙“景观”。但是,彼得·沃伊特、保罗·斯坦哈特和乔治·埃利斯等物理学家抱怨说,弦理论和多元宇宙理论可能是不可检验的,因此不是真正的科学。您如何回应这些批评?
威滕:就我个人而言,我希望宇宙景观的解释是错误的,因为我希望最终能够从第一性原理计算出电子和μ子的质量比(以及其他东西)。然而,宇宙不是为了我们的方便而创造的。许多顶尖物理学家——著名的例子包括史蒂夫·温伯格和马丁·里斯——已经认真对待宇宙加速膨胀,认为这是一个暗示,表明宇宙景观的解释可能是正确的。这是一项具有里程碑意义的发现,于1998年宣布(在您的著作《科学的终结》出版两年后——不幸的时机!)。它太令人震惊了,以至于过了几年,并且有了更多的数据,我个人才确信这一发现。[霍根:请参阅我在下面的附录中对宇宙加速的看法。]
如果景观解释是正确的,我们能否获得额外的线索,使之更可信?一个明显的可能性涉及大型强子对撞机实验的结果。我在2004年的文章“当对称性破裂时”中解释了原因。我在那里写的内容不是原创的,但提供了一个简洁的解释。文献中充满了其他关于如果景观解释是正确的,我们如何可能获得更多线索的建议(例如,在宇宙微波辐射中看到先前的相变的迹象)。我很难为您总结这些建议,因为很难知道哪些提议最值得描述。
另一种可能性是,预测景观的理论会因为其做出的其他预测而得到充分确立。批评弦理论因为它似乎预测了真空景观的问题在于,宇宙的景观解释可能是正确的。200年后,如果出现更多线索,可能包括现在无法预见的线索,那么弦真空景观对于使弦理论可行似乎是必要的,这可能是显而易见的。
霍根:您是否同意肖恩·卡罗尔的观点,即可证伪性作为区分科学与伪科学的标准被高估了?
威滕:科学家的目标是尽可能可靠和精确地理解自然。黄金标准是一个精确的预测,可以在实验室实验中以精确的方式进行测试。推翻理论的实验是科学过程的重要组成部分。
话虽如此,声称科学包括试图证伪理论有点过于狭隘,因为很多科学包括试图发现事物。(试图进行新合成的化学家可能会说他们试图证伪这种新合成不起作用的假设。但这通常不是他们所说的。在火星上寻找生命的人可能会说他们试图证伪火星上没有生命的假设。同样,人们通常不会那样说。)
霍根:多元宇宙理论——无论是受弦理论还是其他想法的启发——是可证伪的吗?如果不是,它们应该被认真对待吗?
威滕:如果宇宙的景观解释是正确的,那么肯定有可能获得额外的线索来支持这一点,正如我在上面的回答中指出的那样。
霍根:一些多元宇宙理论的支持者提倡人择原理,以此来回答为什么我们生活在这个宇宙中,而不是一个完全不同的宇宙中的问题。您认为人择原理是一个合法的科学命题吗?
威滕:正如我在上面也写道的那样,我更喜欢从第一性原理对宇宙进行解释,而无需考虑人择原理。但再说一次,宇宙不是为了我们的方便而创造的,对答案是什么抱有先入为主的观念是无用的。
霍根:您认为科学最终会解释宇宙是如何形成的吗?为什么存在事物而不是虚无?
威滕:科学在理解早期宇宙方面取得了惊人的成功,例如,您可能知道,宇宙“暴胀”的证据比我们上次谈话时(或您的书出版时)要多得多。[霍根:我不接受现在暴胀的证据比1996年“多得多”。请参阅我在延伸阅读下关于暴胀的文章。然后参阅威滕的澄清。]
我想我更愿意只说我能看到的可能提供更好理解的东西。显然,即将到来的观测可能会有所帮助。最直接的是关于宇宙微波辐射偏振的更多数据。我们应该在几年内了解更多这方面的信息。在几十年内,从对宇宙21厘米背景辐射的观测,以及可能从其他技术中,可能会获得根本性的新见解。
然而,作为一名理论家,我还想评论一下可能为进一步进展带来希望的理论漏洞。其中一个涉及宇宙暴胀。正如我所说,到目前为止,有很多证据表明宇宙暴胀。但是,宇宙暴胀理论也没有一个完全一致、逻辑严密的数学框架。如果暴胀是正确的,那么我认为很有希望最终解决这个问题,这可能会导致对早期宇宙的更好理解。同样,自从我们上次谈话以来,在理解量子效应强烈时弦理论的行为方面取得了巨大进展。但是在理解时间相关效应很大时的行为方面,进展甚微(这在早期宇宙中很重要)。
这是一个相对明确的数学问题,我设想很有可能最终获得见解,这同样可能导致对早期宇宙的更好理解。
霍根:您认为有什么奥秘是科学永远无法解释的吗?
威滕:与任何努力一样,我们所能做的就是尽力而为,而不知道在旅程开始时我们将能够走多远。现代科学事业已经进行了数百年,我们已经比我们的前辈可能想象的走得更远了。
霍根:一些物理学家,如斯蒂芬·霍金和劳伦斯·克劳斯,贬低哲学是过时的。您同意吗?您是否发现任何在世或已故的哲学家的著作对您的工作有趣或有用?
威滕:就我个人而言,我受过去的一些“自然哲学家”的影响最大,例如詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。
霍根:您是宗教人士吗?您认为科学和宗教是相容的吗?
威滕:我认为科学解释更有趣,更具启发性。
附录:和威滕一样,我对1990年代后期宇宙正在加速膨胀的发现感到震惊——最初也持怀疑态度。现在,我认为它是“迄今为止过去十年物理学和宇宙学中最令人兴奋的进展”,正如我在2006年所说的那样。如果我想批评《科学的终结》,我会以宇宙加速为首。但到目前为止,这一发现仍然只是大爆炸理论中一个有趣的转折,它并没有引发20世纪早期发生的那种革命性的理论突破和范式转变。
威滕的澄清:当我说今天暴胀的证据比您的书出版时“多得多”时,我并不是指BICEP的发现。我指的是您的书出版后十年间出现的关于宇宙微波背景涨落的全部数据。早期宇宙中类似暴胀现象的证据确实要强大得多。几乎任何物理学家或天文学家都会告诉您这一点,尽管也有例外。我对BICEP的唯一隐式暗示实际上是我在回答关于我们是否会完全了解宇宙起源的问题时(在采访的后面)写的,即在几年内,我们将更多地了解CMB的偏振。我的意思是(我认为我的措辞反映了对BICEP提出的问题,对于同事来说是清楚的)是在几年内,我们将知道BICEP声称的效果是否存在于可以在CMB中检测到的水平。
延伸阅读:
“尽管有引力波发现,我仍然怀疑暴胀。”https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2014/03/17/why-i-still-doubt-inflation-in-spite-of-gravity-wave-findings/。我在本文中讨论的以及威滕提到的BICEP2结果,看起来越来越站不住脚了。
“嘿,物理学,来点实在的!” http://chronicle.com/article/Hey-Physics-Get-Real-/126662/
“如果你想要更多希格斯炒作,请勿阅读此专栏。” https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/2012/07/04/if-you-want-more-higgs-hype-dont-read-this-column/
另请参阅我最近对物理学家乔治·埃利斯和卡洛·罗韦利的问答,他们都评论了弦、多元宇宙、证伪和其他与物理学相关的主题。
图片来源:Jewish Currents, http://jewishcurrents.org/tag/edward-witten。