真实、荒诞、美与物理学_风闻

原创：中科院物理所

作者：Sabine Hossenfelder

翻译：Nothing

审校：Automan-Ex

谁不喜欢精巧的想法？物理学家当然也喜欢。在基础物理领域，物理学家更加倾向于从美学的角度去选择不同的假设。物理学家相信这样的做法并没有什么不好，毕竟假设最终都要经过检验才行。然而，他们的绝大多数漂亮的想法要么很难被检验要么根本就无法被检验。而且，每当实验一无所获的时候，物理学家总能调整自己的理论来适应实验结果。

关于美学的讨论在物理学研究中出现的越来越多，这样的情形持续了超过40年。包含了诸如超对称、多世界理论和大统一理论等领域，这些领域包含了数以千计的物理学家。在这40年中，我们花费了数十亿美元来开展实验但是收获寥寥。也是在这四十年中，基础物理学没有重大突破。

我的同事们虽然认为每个人对美的感受都不同。但我们现在拥有的大多数基础理论—像粒子物理的标准模型和爱因斯坦的广义相对论—都有相似的美。我同意基础物理的美都有相似性。但是，我们尝试这样做却没有收获。然而，物理学家在选择理论时依然遵循三个原则：简单、自然和优雅。

我所说的简单性并不是指奥卡姆剃刀，奥卡姆剃刀是指两个可以达到同样目的的方法我们选择简单的那个。我指的是绝对的简单性：一个理论应该简单到不能更简单。当一个理论对我的同事们来说不简单时，他们会把它变得更简单-通过将一些力统一起来或者通过假定一些新的对称性来将粒子通过新的序联系起来。

第二个标准是自然性。自然性要求尽量避开那些看着像人为制造的假设，目的是为了摆脱人的影响。这个标准最经常使用的场合是无单位的物理常数，比如基本粒子之间的质量之比。自然性要求这些比例是1，如果不是这样，理论应该给出解释。

然后是优雅，这是美的最后一项也是最难把握的一项。它通常被描述为揭示了事物之间新联系带来的简洁和惊喜。我们通常会在顿悟的瞬间感受到这种优雅。

 

悟空号

目前，物理学家认为一个有希望的理论应当满足这三个方面才能称为优美。这让他们预测质子可以衰变。从20世纪80年代开始，已经有实验开始进行相关的观测，但是直到今天也没有观测到质子的衰变。理论物理学家还预测我们应该可以探测到暗物质粒子，例如轴子或者大质量的弱相互作用粒子。我们为此做了大量的实验，但是至今仍然没有找到扎实的证据。对称性和自然性带来的美感使得许多物理学家相信大型强子对撞机(LHC)可以看到希格斯玻色子之外的其他东西，例如，“超对称”粒子或者额外的空间维度，但是目前依旧一无所获。

在这些方法变成荒谬之前，我们还可以走多远？如果你把一个理论分解的越来越简单，最终它将变得预测不了任何事，因为这个理论不能包含足够多的信息来进行计算。你得到的将是现在理论物理学家称为‘多元宇宙’的东西，即很多遵循不同自然规律的宇宙的集合体。

例如，如果你使用牛顿引力理论但是没有通过实验确定万有引力常数的值，你可以说你的理论可以描述万有引力常数为任意值的宇宙。当然你必须假定我们生活的宇宙中万有引力常数是我们测量到的值。这样，理论物理学家可以撰写关于多宇宙的论文了。更好的是，其他宇宙不可能被观测到，这样多宇宙理论就不会被实验所驳倒。

我认为是时候回顾一下科学史了。但是美学并不总能给我们正确的指引来建立物理学理论。很多看起来很美的假设其实是错的，像开普勒关于行星轨道都嵌在多面体中的假设，原子是以太上的纽结的想法，或者宇宙是静态的而不是膨胀的想法最终都被证明是错误的。

行星的椭圆轨道

还有一些一度被认为是丑陋的理论经受住了时间的考验。例如，开普勒提出行星绕椭圆轨道运行而不是绕正圆轨道运行时，与他同时代的人认为这个说法太丑陋了，所以不可能是真的。但是，现在我们都知道，行星的轨道是椭圆而不是正圆。这证明丑陋的理论也可以是正确的。这些理论至今仍然被使用，而且我们不再认为它们是丑陋的。

接着往下看，尽管对很多物理学家来说美学的考虑可能是他探索自然的一大动力，但带来突破性思想的问题不单单造成了美学上的困境-它们也带来数学上的矛盾，这就是历史给我们的第二个教训。例如，爱因斯坦抛弃了绝对时间的观念，因为他和麦克斯韦的电磁理论相悖，因此他创立了狭义相对论。之后他又调和了狭义相对论和牛顿引力理论的矛盾，因此建立了广义相对论。狄拉克解决了量子力学和狭义相对论之间不自洽的问题，这导致了量子场论的诞生。直到今天，在粒子物理学中我们仍然在使用量子场论。

保罗狄拉克

还有希格斯玻色子，也是在寻找逻辑的一致性时诞生的。因为对于标准模型来说，希格斯玻色子的存在是必要的，所幸我们在2012年使用LHC发现了它存在的证据。如果没有希格斯玻色子的存在，粒子物理学家计算出的概率会超过1，这是不可能的。

另一方面，超对称粒子是美妙的但不是必须的。它的引入是为了克服现有理论在美学上的瑕疵-对自然性的缺失。如果一个理论并不是超对称的它并不会在数学上引出什么错误，但是理论看起来就不那么优美了。粒子物理学家使用超对称来弥补这个短板，因此可以让理论看起来更有美感。理论预测超对称粒子应该可以在LHC中观测到，这是基于期待而不是基于逻辑。但到目前为止，这些粒子还没有被观测到。

从近几十年来基础物理学的进展来看，仅仅从美学的角度寻找物理学的进步有可能会将我们引入歧途，也许我们应该更加注重实验证据带来的启发，以事实为根据来发现新的物理。我相信，当我们找到了基于实验证据的新物理时，美一定就在那里等着我们。

翻译过程对原文有删改

原文链接：https://aeon.co/ideas/beauty-is-truth-truth-is-beauty-and-other-lies-of-physics