不能够一心印证的驳斥对物教育学还会有用吗,

2019-10-12 13:16栏目:奥门新萄京娱乐场
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原标题:是美还是真理?假如物理欺骗了你……

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Sabine Hossenfelder是法兰克福高级研究所的一名研究员,她对量子引力的现象学十分有兴趣。她的文章大量发表在《福布斯》《科学美国人》和《新科学家》等杂志上。2018年,她还发表了自己的著作《数学迷失:美丽如何让物理学误入歧途》。

是什么决定了一个想法是否合理科学?这个问题已经被哲学家和科学家广泛讨论过,这是因为它不仅仅是一个抽象的概念,“是什么使一些设想变得科学或者不科学”决定了它是否应该在课堂上教授或者由获得研究资助。

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在大多情况下,答案相对简单。例如,与阴谋论相反,地球不是平的。所有的证据都支持地球是个球体,因此,基于地平论的陈述是不科学的。

谁会拒绝一个好主意呢?物理学家们就是个例外,在物理学的基础上结合令人愉悦的美学的假设已经成为公认的实践。物理学家认为,动机有时并不重要,因为假设必须得到科学的验证,但他们的大多数的美好想法都很难或不可能得到验证。当自己的实验空手而归时,物理学家可以通过继续修正他们的理论来改进零结果的实验。

然而,在某些情况下,应该在何处以及如何划定科学界线始终被热议。其中一个标准是由著名科学哲学家卡尔·波普(Karl Popper)提出的,他认为科学理论必须“可证伪”。科学理论的可证伪性

这种情况已经持续了大约40年。在这40年里,关于美学的争论已经发展成为正式的研究项目—如超对称、多元宇宙和大统一这些等待验证的理论吸引了成千上万的科学家投身其中。在这40年里,社会上花费了数十亿美元在这些实验上,却没有发现任何事实证据可以支持这些美好的想法。在这40年里,物理学的基础其实并没有取得重大突破。

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我的同事认为审美标准是基于经验的基础上的。我们目前拥有的最基本的理论——粒子物理学的标准模型和阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论——在特定的方面是美的。

卡尔·波普

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波普在他的经典著作《科学发现的逻辑》(The Logic of Scientific Discovery)中写道,一个不能被证明是错误的理论,即一个能足以涵盖所有可能的实验结果的理论,在科学上是无用的。他认为,一个科学观点必须包含其自身被推翻的关键:它必须做出可以检验的预测,如果这些预测被证明是错误的,那么,这个理论就必须被抛弃。对于无法证伪的科学理论,必然是错误的,需要被抛弃。

我也赞同可以试着假设更多的基本理论在某些方面也是具有美学特征的,但这一切在尝试之后仍是徒劳。尽管如此,物理学家们仍在根据三个美学标准选择相应的理论:简单、自然和优雅。

然而,这种可证伪性要求给理论物理的某些领域留下了什么?

简单,不是指奥卡姆剃刀定律式的简单,它是指在两个需要实现相同目标的理论中,你选择其中一个更简单的。你也可以理解为绝对简单:对我的同事来说,当有些理论看起来还不够简单的时候,他们就会试图让它们变得更简单——通过把几种力统一或者假设有新的对称,将粒子组合成有序的集合。

例如,弦理论涉及的物理是非常小的长度尺度,任何可预见的实验都无法达到。宇宙暴胀理论解释了可观测宇宙的许多特性,但它本身可能无法通过直接观测得到验证。一些批评家认为,这些理论是不可证伪的,因此,它们具有可疑的科学价值。可证伪性的缺陷

第二个标准是自然。自然是一种试图摆脱人为因素的尝试过程,它要求一个理论不应该看起来像是被精心挑选过的一样。这一准则通常适用于没有单位的常数值,例如基本粒子质量比。自然要求这样的数字应该接近1,要不理论就要解释为什么事实不是这样的。

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最后是优雅这个标准,这是最后一个也是最难以捉摸的一个。它通常被描述为简单和惊喜的结合,在某方面揭示了新的联系。我们在“啊哈效应”(Aha effect)中找到了一些优雅的痕迹,也就是事情在进入新的状态时让人顿悟的时刻。

与此同时,许多物理学家与科学哲学家站在同一立场,他们指出波普的模型存在缺陷,因为可证伪性在识别明显的伪科学方面最有用,比如地平论,但在判断从科学既定范式中发展出来的理论方面,相对不那么有用。

物理学家认为,这三个标准中只要有一个是合乎美学的,那么上面的理论就是有希望的。这使得他们可以大胆预测质子应该能够衰变。自上世纪80年代以来,实验室一直在寻找这种物质,但迄今为止还没有人发现质子衰变的过程。

新罕布什尔大学的理论物理学家Chanda Prescod-Weinstein表示:“我们应该担心自己的傲慢,可证伪性很重要,但要记住,大自然是为所欲为的。在我看来,任何一代人认为自己已经解决了所有能解决的问题,都是极度自大的。”

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麻省理工学院的粒子物理学家Tracy Slatyer对此表示赞同,她极度担心,可证伪性可能会阻止新想法的萌芽,扼杀创造力。Slatyer指出:“在理论物理学中,我们所研究的绝大多数想法都是错误的。它们可能是有趣的想法,可能是美好的想法,可能是华丽的结构,只是在我们的宇宙中无法实现。”粒子与实践哲学

理论家还预测,我们应该能够探测到暗物质粒子,比如轴子或弱相互作用的大质量粒子(WIMPs)。我们已经委托了给许多机构大约几十个实验,但还没有发现任何假设的粒子存在——至少目前还没有。

以超对称为例。超对称性是粒子物理标准模型的扩展,其中每个已知粒子都与一个对应的超对称粒子配对。该理论是时空数学对称性的自然产物,其方式与标准模型本身相似。它在粒子物理学中得到了很好的证实,即使超对称粒子可能超出了物理学家的实验范畴。

许多一样的对称和自然标准让许多物理学家相信,大型强子对撞机(LHC)应该可以看到希格斯玻色子之外的新物质,比如所谓的“超对称”粒子或额外空间维度,但对这些东西的探索到目前为止也没有任何进展。

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在这个项目变得荒谬之前,你还能让它走多远 ?如果你让一个理论变得越来越简单,它最终会变得不可预测,因为这个理论会缺乏足够的信息来让相关人员进行计算。大家现在知道的是理论家们所称的“多元宇宙”——一个有着不同自然规律的无限宇宙的总称。

超对称理论可能会解开现代物理学中的一些重大谜团。首先,由于这些超对称粒子的存在,使得希格斯玻色子的质量比量子力学预言的要小。

例如,你使用万有引力定律而不通过测量确定牛顿常数的值,可以说你的理论包含了一个宇宙中任何常数的值。当然,你必须假设我们生活在一个这样的宇宙,它的值正好是牛顿常数。正因为以上情况,理论家现在才可以写关于大量新宇宙的论文。更好玩的是,其他的宇宙空间都是不可观测的,因此多元宇宙理论在实验测试中是可行的。

俄克拉荷马大学的物理学家Howard Baer指出,量子力学认为希格斯玻色子的质量应该高到可能的最大质量尺度。这是因为在量子理论中,质量是许多参与相互作用的不同粒子的贡献结果,而希格斯场赋予了其他粒子质量,并积累了许多这样的相互作用。然而,希格斯粒子的实际质量并不大,这需要一个合理的解释。

我认为我们该从科学史中吸取教训了。对美的向往并不能成为理论发展的向导。许多看起来很美的假设都是错误的,比如约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)的观点:行星轨道堆积在规则的多面体中,即所谓的“柏拉图固体”,还有原子在看不见的以太中纠缠打结,宇宙处于“稳定状态”而不是在扩张和膨胀。

如果超对称粒子出现在一定的质量范围内,它们对希格斯粒子质量的贡献自然而然地解决了这个问题,这一直是超对称性理论的一个论据。到目前为止,大型强子对撞机还没有发现任何在自然性范畴内的超对称粒子。

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然而,超对称的广义框架可以允许更大质量的超对称粒子,而这些粒子有可能被大型强子对撞机探测到,也可能探测不到。事实上,如果放弃了自然性,超对称理论根本没有提供一个明显的质量尺度,这意味着超对称粒子可能超出了人类已有的粒子加速器的探测极限。这一点让一些人感到不安,如果没有明显的质量尺度来指导对撞机找到超对称粒子,那么,这个理论是可证伪的吗?

其他一些曾经被认为是丑陋的理论也经受住了时间的考验。当开普勒认为行星是沿着椭圆而不是圆运动时,同时代的人以这个理论为耻,并认为那不可能是真的。物理学家詹姆斯·麦克斯韦在后来拒绝接受自己创立的关于电场和磁场的理论,因为在他那个年代,这些关于美的标准涉及齿轮和螺栓的打造。

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保罗·狄拉克指责麦克斯韦理论的进化版本很丑陋,因为去掉不定式需要复杂的数学运算。然而,那些被认为是丑陋的想法往往是正确的,它们至今仍在被使用,我们也不再觉得它们丑陋。

暗物质研究也面临同样的问题。尽管有强有力的间接证据表明,有大量的物质在所有波段的光都是不可见的,但粒子实验尚未发现任何暗物质粒子。暗物质粒子可能是无法直接探测到的。一些物理学家认为,我们需要考虑另一种引力理论。

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