為什么物理學基礎(chǔ)研究停滯不前？

作者簡介：薩拜因·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）是德國法蘭克福高等研究所的理論物理學家，研究領(lǐng)域涉及標準模型、量子引力現(xiàn)象和廣義相對論的改進。如果你想了解更多物理學研究中存在的問題，可以閱讀她的著作《在數(shù)學中迷失：美如何使物理學誤入歧途》（Lost in Math： How Beauty Leads Physics Astray）。

如今的物理學基礎(chǔ)研究是一潭死水。一個又一個實驗返回的是毫無意義的結(jié)果：沒有新的粒子；沒有新的維度；沒有新的對稱性。沒錯，數(shù)據(jù)中可能存在著這樣或那樣的異常，其中有些最終會成為真正的大新聞。但是，實驗物理學家們只是在黑暗中摸索。他們不知道新的物理學會出現(xiàn)在哪里，而從事理論工作的同事并不能提供多少幫助。

有些人認為這是一場危機。但我不認為“危機”并不能很好地描述當前的形勢：“危機”這個詞太樂觀了。這個詞給人的印象是，理論物理學家們意識到了他們的方法錯誤，并開始嘗試改變；換句話說，他們正在覺醒，并將放棄有缺陷的方法。然而，我沒有看到任何覺醒。這一學術(shù)共同體的自我反思微不足道，甚至可以說完全沒有。他們做的是40年來一直在做的事情，喋喋不休地講述自然性和多重宇宙，然后（再一次）將他們的“預測”轉(zhuǎn)移到下一個更大的粒子對撞機上。

我認為“停滯”這個詞能更好地描述這一狀態(tài)。讓我明確一點，關(guān)于這種停滯，問題不在于實驗，而是在于理論物理學家的大量錯誤預測。問題也不是我們?nèi)鄙贁?shù)據(jù)。我們擁有大量數(shù)據(jù)。但是，已有的理論——粒子物理學標準模型和“和諧宇宙模型”（cosmological concordance model）——已經(jīng)對所有數(shù)據(jù)進行了很好的解釋。不過，我們知道情況并非如此?，F(xiàn)有理論是不完整的。

之所以這么說有兩個原因。首先，我們知道暗物質(zhì)只是用來描述某種我們不理解的東西的臨時名；其次，粒子物理學的數(shù)學公式與我們用來研究引力時用的數(shù)學并不兼容。早在20世紀30年代，物理學家就知道了這兩個問題。直到20世紀70年代，他們?nèi)〉昧撕艽蟮倪M展，但自此之后，物理學基礎(chǔ)理論的發(fā)展就停滯了。如果實驗中發(fā)現(xiàn)了什么新東西，那并不是因為有成千上萬的錯誤預測，而只能說是“盡管”有這些錯誤預測，仍然取得了進展。

成千上萬的錯誤預測聽起來很驚人，但其實還是低估了。我只是總結(jié)了對物理學的預測，這些預測超出了大型強子對撞機（LHC）應該發(fā)現(xiàn)的標準模型：所有具有多種形狀和構(gòu)造的額外維度、所有的對稱群，以及所有名稱很花哨的新粒子。你可以通過統(tǒng)計論文，或者統(tǒng)計在該領(lǐng)域工作的人數(shù)和他們的平均產(chǎn)出來估計這些預測的數(shù)量。

他們都錯了。即使在大型強子對撞機尚未獲得的數(shù)據(jù)中能發(fā)現(xiàn)某些新的東西，我們也已經(jīng)知道，理論物理學家的猜想并不成立。一個都沒有。他們還需要多少證據(jù)才能證實他們的方法不能成功呢？

這一缺乏進展的漫長階段是前所未有的。沒錯，從古希臘哲學家德謨克利特首次提出原子的猜想，到它們真正被探測到，花了大約兩千年時間。然而，這是因為在這兩千年時間里，人們除了思考物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)之外，還有許多其他事情要做，比如建造更加牢固的房屋。因此，援引年代學時間是沒有意義的。我們更應該看看物理學家實際的工作時間。

對此，我也可以為你列出一些數(shù)字。是的，我愛數(shù)字，它們是如此的真實。

根據(jù)美國物理學會和德國物理學會的會員數(shù)據(jù)，在1900到2000間，物理學家的總數(shù)增加了大約100倍。這些物理學家中絕大多數(shù)都不是從事基礎(chǔ)物理學的工作，但就出版活動而言，物理學的各個子領(lǐng)域都以大致相當?shù)乃俣仍鲩L。而且，（撇開第二次世界大戰(zhàn)前后的變動）出版物的數(shù)量和作者的數(shù)量基本上都呈指數(shù)性增加。

現(xiàn)在，為了簡單起見，讓我們假設今天物理學家每周工作的時間和100年前的物理學家一樣長——考慮到增長是指數(shù)級的，細節(jié)并不重要。然后我們可以問：如果從今天開始算，多長時間的工作量能相當于100年前開始的40年的工作量？好好猜一下！

答案是大約14個月。只按工作時間來看，今天物理學家應當能在14個月里完成一個世紀前需要花40年才能做到的事情。

當然，你可以質(zhì)疑這種“進步”不能如此簡單地擴展，因為盡管大家都在談論集體智慧，但研究畢竟都是個人完成的。這意味著，僅僅雇傭更多的人，并不能任意減少研究時間。個人也需要時間來交流和理解彼此的見解。另一方面，我們已經(jīng)大大提高了信息傳輸?shù)乃俣群捅憷?，我們現(xiàn)在還利用計算機幫助思考。無論如何，如果你想爭辯說雇傭更多的人并不能有助于進步，那為什么還要雇傭他們呢？

所以，不，我對這一估計并不認真，但它解釋了為什么許多人不知道目前這種前所未有的停滯現(xiàn)狀。今天我們對基礎(chǔ)物理學的投資比以往任何時候都多，但沒有產(chǎn)出任何東西。這是個問題，而且是一個我們應該談論的問題。

最近有人跟我說，利用機器學習來分析大型強子對撞機的數(shù)據(jù)標志著科學共同體正在反思。但事實并非如此。首先，粒子物理學家運用機器學習工具來分析數(shù)據(jù)已經(jīng)有至少30年時間。他們現(xiàn)在用得更多，是因為更容易用，因為所有人都在用，還因為《自然-新聞》對此作了報道。因此，不，粒子物理學中的機器學習并不意味著反思。

另一個我必須經(jīng)常忍受的評論（而非問題）是，我只是在抱怨，但對物理學家應該做什么沒有任何更好的建議。

首先，這是一個愚蠢的批評，它讓你更關(guān)注批評者而不是被批評者。假設我不是在批評一群物理學家，而是一群建筑師。如果我告訴公眾，這些建筑師花了40年時間建造的房屋都倒塌了，那么，為什么是我來負責想出更好的房屋建造方法呢？

其次，這一批評是錯的。我已經(jīng)多次非常清楚地指出，理論物理學家應該做出什么改變。只是他們并不喜歡我的答案。他們應該停止嘗試解決不存在的問題。一個理論不漂亮并不是問題。我所說的，是應該專注于數(shù)學上定義明確的問題。而且，看在老天份上，不要因為科學家忙于同事間流行的工作而獎勵他們了。

我的這一建議并非沒有根據(jù)。如果你審視物理學的歷史，你會發(fā)現(xiàn)這門學科致力于解決能夠帶來突破的數(shù)學難題?？纯纯茖W的社會學，你會發(fā)現(xiàn)糟糕的激勵手段會導致嚴重的低效率；你再看看科學的心理學，就知道沒有人喜歡改變。

開發(fā)新的方法比發(fā)明數(shù)十種新粒子難得多，這也是他們不喜歡我的結(jié)論的原因。任何改變都會減少論文產(chǎn)出，而他們不希望這樣。這種阻力并不是來自制度壓力，而是科學家自己不愿意挪動屁股。

也許你會問，他們還能堅持多久？他們的理論“傳說”還能持續(xù)存在多久？我覺得，恐怕沒有什么能夠阻止他們了。他們互相評審論文，互相評審基金申請，并且不斷告訴彼此他們做的是好科學。他們?yōu)槭裁匆Ｏ聛?？對他們來說，一切都很順利。他們舉辦會議，發(fā)表論文，討論偉大的新想法。從內(nèi)部來看，一切如常，只是沒有什么有價值的結(jié)果出來。

這不是一個會自行消失的問題。

有趣的是，《紐約時報》在1986年就刊出過文章指出：在物理學界存在揮之不去的懷疑，認為物理學可能即將滅亡。（以下為其文章內(nèi)容）

正如耶魯大學物理學家Alan Chodos在《美國科學家》一書中所寫，一個根本的危險在于，檢驗物理學新理論所必需的實驗，很快將超出人類的能力。Chodos博士認為，由于無法進行需要與大爆炸起源事件相媲美的能量的實驗，越來越多的物理學家將傾向于接受宏大但無法驗證的理論，而這種事件不止一次地將科學引入死胡同、教條和神秘主義。

Chodos博士尤其擔心，“時髦”的粒子物理學家已經(jīng)開始過于不加批判地涌向一個名為“超弦理論”的概念。這個理論聲稱將自然界所有的力量，包括重力和所有可能的粒子相互聯(lián)系起來，是一種“萬物理論”，正如Chodos博士所說的那樣——“終極理論圣杯”。他認為，超弦理論的最大弱點在于，它所描述的關(guān)鍵關(guān)系之一，只能在比構(gòu)成原子核的粒子還要小1億億億億億億億倍以上的距離范圍內(nèi)得到驗證。他認為，想象任何人都能以如此無窮小的尺度來衡量任何事物是愚蠢的。

Chodos博士說，如果剝奪了有形實驗室生命力，物理學家將“游離到哲學和純數(shù)學的未知領(lǐng)域”，讓真正的物理學枯萎。

他的悲觀預測并非第一次。

1927年，量子力學的創(chuàng)始人之一Max Born對哥廷根大學的參觀者說，“我們知道，物理學將在6個月后結(jié)束”。但他只說對了一部分。

1961年，作為超導領(lǐng)域的著名專家，劍橋大學物理學家Brian Pippard告訴大眾“在這片新的物理土地上，最后一代移民發(fā)現(xiàn)了它的富饒。但我們對這不屑一顧”。但四分之一個世紀后，物理學家仍在這塊土地上謀生。

1980年，在威斯康辛州麥迪遜的高能物理學家國際會議上。一位參與者表示，他正在尋找物理學結(jié)束后可以做的其他事情。但如今，物理學家發(fā)表的論文比以往任何時候都多。

不過，這次物理學可能真的要碰壁了。物理學家正在解決或回避看似無法解決的實驗問題方面取得了難以置信的成功。但未來的實驗似乎需要比整個太陽系更大的粒子加速器這樣的設備時，至少某些類型的實驗似乎即將結(jié)束。

物理學缺乏實驗的前景使人們想起亞里士多德在黑暗時代對歐洲科學的影響。亞里士多德被認為是公元前4世紀邏輯學的奠基人，但他的邏輯理論并不總是得到實驗的支持。例如，他教導說，大腦的唯一目的就是冷卻血液，所有的東西都是由四種元素組成，沒有真空這種東西。

對亞里士多德來說，根本原則遠比真實存在的細節(jié)重要，他崇高的但有時是錯誤的世界觀影響了12、13世紀的歐洲自然哲學。總的來說，那些年對科學來說是糟糕的。黑暗時代的思想家們提出了很多理論，這些理論很少經(jīng)得起實驗或時間的考驗。

如果做物理實驗的難度越來越大，而結(jié)果導致亞里士多德的鬼魂復活，那么科學和它所服務的社會可能會陷入麻煩。