物理理论一定是美的吗
  时间:2019-02-10 20:28:10 来源: ty8天游官网 作者:匿名


作者:Sabine Hossenfelder

法兰克福高等研究院研究员。

信用: 123RF

谁不喜欢好主意?物理学家也不例外。在物理学的基础上,偏好在美学上更令人愉悦的假设已成为默认实践。物理学家也知道他们的偏好不太重要,毕竟,必须测试假设。但他们的大多数奇妙想法都难以或无法测试。而且,即使实验以空手结束,物理学家也可以改变他们的舌头进行实验。

这已经近40年了。 40年来,美学追求在各种研究项目中蓬勃发展。——例如,超对称理论,多宇宙和统一理论——成千上万的科学家都投入了自己的力量。在过去的40年里,已经花费了数十亿美元用于整个社会,但没有发现这些奇妙想法的证据。而且,在这40年中,物理学从未有过重大突破。

我的同事认为审美标准是基于经验的。我们今天使用的最基本的理论是——粒子标准模型,爱因斯坦的广义相对论——从特定的角度来看是美妙的。我同意并愿意相信更基本的理论同样美丽。但是,如果你考虑一下,我们尝试了它就失败了。然而,物理学家没有改变他的死亡。当他选择理论时,他仍坚持三个审美标准:简约,自然和优雅。

我在这里谈论的“简单”并不意味着“奥卡姆剃刀”。它说:如果这两个理论给出相同的内容,那么你应该选择更简单的理论。不,我的意思是绝对简单:理论应该简单并与时俱进。如果理论不够简单,无法满足同事的口味,他们会尽量简化。—— - 通过统一多个力或假设新的对称性来对粒子进行排序。

第二个标准是自然。自然是企图消除人为因素,它要求理论不应该使用似乎是人为选择的假设。该标准通常用于一些无量纲常数,例如某些基本粒子的质量比。当然,这些数字等于或接近于1。如果不是这种情况,理论将解释为什么会这样。然后说优雅,第三也是最难以捉摸的审美标准。它通常被描述为简单性和顿悟的结合,它们共同揭示了一些新的联系。在“Aha效应”(Arcitch的Eureka时刻)中,我们经历了优雅,瞬间的光和尘埃。

在判断理论观点时,科学家们仍然使用这三个标准。这引导他们做出预测,例如,质子会腐烂。搜索实验始于20世纪80年代,但没有人观察到质子衰变。理论家还预测我们应该能够探测到暗物质粒子,例如轴突或弱相互作用的大质量粒子(WIMP)。我们委托进行了数十次实验,但至少目前还没有发现任何假想的粒子——。在对称和自然的两个标准下,物理学家认为大型强子对撞机(LHC)应该能够击出希格斯玻色子之外的新东西,例如“超对称”粒子或额外的空间。尺寸。但没有,现在是。

在到达荒谬的边界之前,你能在多大程度上推动这套标准。例如,如果你不断简化和简化理论,它最终将没有预测能力,因为理论不再具有足够的信息,甚至计算也无法继续。通过这种方式,你得到了理论家的“多元宇宙”。——具有不同自然规律的无限宇宙集。

例如,如果您在使用重力定律时没有尝试修复牛顿常数的值,则可以声称您的理论包含具有任何值的引力常数的宇宙。当然,你仍然必须假设我们生活在一个我们碰巧是牛顿常数的宇宙中。所以最后你似乎从这个理论中得不到多少。此外,理论家可以在许多新宇宙上发表论文。令人欣慰的是,其他宇宙是不可观测的,因此多宇宙理论没有通过实验进行适当的测试。

我认为现在是我们从科学史中吸取教训的时候了。美学指导理论也没有良好的历史记录。许多美好的假设仍然是错误的。例如,开普勒曾经认为行星的轨道由被称为“柏拉图实体”的毕达哥拉斯多面体组成。例如,原子实际上是隐形以太的结。另一个例子是宇宙是“稳态”而不是扩张。与此同时,一些理论在当时看起来很丑陋,但经受住了时间的考验。当开普勒提出行星应该在椭圆轨道而不是圆形轨道上运行时,几代人感觉太难看了,这不可能是真的。物理学家麦克斯韦也动摇了他自己的电磁场理论,因为当时的审美标准是齿轮和螺丝的世界。狄拉克还斥责麦克斯韦理论的后期发展过于丑陋(因为它指的是量子场论)因为它涉及消除无穷大的复杂数学技术。然而,那些被认为是丑陋的想法是正确的。他们一直活到今天。我们使用它,我们不觉得难看。

历史有第二课。即使对于许多物理学家来说,美容也可以成为一个强有力的个人驱动力,但导致突破的问题不仅仅是由于美学上的疑惑——而是数学上的矛盾。例如,爱因斯坦放弃了绝对时间,因为它与麦克斯韦的电磁理论相矛盾,创造了一种特殊的相对论。然后他开始解决狭义相对论与牛顿万有引力定律之间的冲突,这导致了广义相对论。狄拉克后来消除了狭义相对论和量子力学之间的矛盾,导致了我们今天仍在使用的量子场论的发展。

信用卡:欧洲核子研究中心

希格斯玻色子也是逻辑一致性的要求。 Higgs玻色子于2012年在LHC被发现,对于填充标准粒子模型至关重要。没有它,粒子物理学家在计算中的概率大于1,而数学无意义的结果无法描述现实。是的,数学并没有告诉我们它必须是希格斯玻色子或其他东西。但我们知道,即使在大型强子对撞机建成之前,肯定还有新的东西。这是基于实体数学的推理。

相反,超对称粒子很漂亮但不是必需的。他们的介绍是为了修复当前理论美学的缺点,不够自然。在一个不是超对称的理论中,数学没有任何问题,它只是不够美观。粒子物理学家使用超对称来弥补这些不足,使理论更加美观。因此,基于主观希望而不是理性逻辑,可以在LHC上看到超对称粒子的预测。并且还没有发现这些颗粒。很长一段时间,我的结论是:当物理学试图完美无功时,我们可能会浪费时间在无关紧要的问题上。物理学家现在需要重新考虑他们的工作方法。——在我们开始讨论下一个更大的粒子对撞机或新一轮暗物质搜索的需求之前。

事情不会全都朝着我们期待的方向发展。新理论应该解决现有问题的想法原则上是正确的。——但是,目前,问题本身并没有明确说明,不能使用各种标准。从根本上说,推理的概念和哲学基础是微弱的,必须加以改进。

要求大自然屈服于我们的审美理想是徒劳或科学的。最好让证据首先引导新的自然规律,美国在远方等待我们。

本文由Aeon Ideas翻译,译者基于知识共享协议(BY-NC)。



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