本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
在最近的一次小组会议上,我的博士后提出了一个问题:“我们是否应该使我们的理论模型更复杂,以便我们对数据的解释不会显得过于简单?” 我对这个建议感到惊讶,并感到有义务解释原因。“简单是一种美德,”我说,“而不是缺陷。过度的数学技巧被用于在实验数据稀缺的理论物理学分支中炫耀。但作为物理学家,我们应该为我们的数据寻求最简单的解释。这是物理学的命脉和衡量成功的适当标准。”
几十年来,人们一直认为我们早期的宇宙简单模型(以少量参数为特征)是幼稚的,并且是数据稀缺的结果。到21世纪初,我们已经收集了足够的数据来验证宇宙确实是从最简单的初始状态开始的,几乎是均匀和各向同性的,具有小的波动,这些波动发展成我们今天在宇宙中发现的复杂结构。这种已经存在了一个世纪的简单宇宙学模型是现代宇宙学的基础。
在当今激烈的就业市场中,刚起步的科学家有时会试图用冗长的推导和具有挑战性的数学复杂性来给他们的资深同事留下深刻印象。最近,另一位博士后告诉我:“在我的研究领域,展示卓越技能最流行的方式是撰写大量的论文,有时长达数百页甚至更长。我正面临着未来职业生涯的战略困境:选择漫长而复杂的项目还是简短而富有洞察力的论文?”
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很明显,完成长期项目需要付出更多汗水;但科学注定是艰苦的劳动吗? 不一定。我们作为科学家的任务是基于最简单的理论来解释现象,其预测可以通过新的实验进一步检验。本着奥卡姆剃刀的精神,如果答案很简单,为什么要把它复杂化呢?
长期、可预测的项目可能会通过预测他们可能发现什么来吸引资助机构的注意,但它们的遗产可能不如意外结果的简短报告有影响力。冗长的讨论读者较少,因此他们的欣赏自然往往是肤浅的。另一方面,易于理解的简短见解往往会激发更广泛的科学界的后续工作。与天真的期望相反,简短、内容丰富的报告的更广泛吸引力提高了就业前景。
对复杂性的时髦吸引力也为希望使其工作细致入微且不易受到审查的资深科学家所共有。虽然老练通常被认为是精英的标志,但如果科学成果以简单透明的方式表达,则能更好地为科学服务。当记者问:“您是如何如此清晰地解释您的研究的?” 我经常回答:“通过只描述我理解的东西,并承认我不知道的东西。” 复杂性有时被用作戏剧性的烟雾和迷雾来掩盖无知的难看形象。
物理学家理查德·费曼曾说:“正如诗人常常被允许不遵守语法和发音规则一样,我们也应该要求物理学家‘获得物理学家的许可’,不遵守数学规则,以便尽可能简单地表达我们想说的话。” 事实上,路易·德布罗意建立量子力学中波粒二象性的原始博士论文简短而简洁,并在五年后为他赢得了诺贝尔奖。
简单的见解可以瞬间产生,无需辛勤劳动,并带来一种令人兴奋的感觉,数学家亨利·庞加莱称之为“顿悟”。当朱利安·施温格和理查德·费曼提出两种不同的方法来解释量子 электродинамики 领域的实验数据时,在弗里曼·戴森(当时年仅24岁)优雅地证明它们是等价的之前,决定应该使用哪一种方法在数学上似乎很复杂。弗里曼在灰狗巴士上获得了简化的见解,之后说:“我无法判断这项工作是否像我认为的那样伟大。我只知道,这肯定是我迄今为止做过的最好的事情。” 他因此获得了普林斯顿高等研究院的永久教职,与阿尔伯特·爱因斯坦并肩工作。费曼和施温格都因为这一简化的启示而分享了诺贝尔奖。
不必要的复杂性通常需要对参数进行微调。理论越是微调,相对于更简单的真理,它的解释力就越弱。一个经典的例子是数学上复杂的托勒密本轮理论,用于描述行星的运动,与更简单的牛顿替代方案相比。当宇宙学家通过引入新的自由参数来拟合新数据,对宇宙暴胀或多元宇宙等灵活理论进行逆向工程时,也应适用同样的保留意见。我在最近一篇论文中量化了这一点,这篇论文是我与哈佛黑洞计划的哲学博士后研究员费拉兹·阿兹哈尔合著的,他刚刚在构思这个想法的同时,通过接受初级教员职位实现了他的就业市场愿望,哈佛黑洞计划。
虽然简单的见解事后看来似乎微不足道,但发现它们是一种罕见的特权。经过繁琐劳动产生的复杂论点可以被视为显而易见但难以触及的果实。另一方面,罕见的见解是通常隐藏在视线之外的唾手可得的果实。当所有可见的唾手可得的果实都被摘完后,剩下的只有这两种选择。