科学的标准从未改变

苗千

剑桥大学理论物理学家戴维·唐（David Tong）教授是世界著名的弦论学家和量子引力学家。他讲授量子场论的视频在网络上广为流传，他也登上英国皇家学会的讲台，为公众生动地讲解理论物理学研究的现状和未来，描述出一位理论物理学家眼中神奇的自然界。

2018年4月，戴维·唐在他的办公室里接受了《三联生活周刊》的采访。在他看来，对于什么是好科学的标准，从来都没有改变过。“科学理论之所以如此强大，正是因为我们有着最严格的验证标准。”

剑桥大学理论物理学家戴维·唐

科学家需要保持耐心

三联生活周刊：你认为在现代，科学的标准是否已经改变了？可证伪性（Falsifiability）是否仍然是验证科学理论最重要的标准？

戴维·唐：对于什么是好科学的标准一丁点都没有改变过。对于科学共同体来说，一个理论是否能被接受，需要实验证据，还需要经受各种反复的质疑。尽管现在可能很多流行媒体都在宣传科学的标准需要改变了，但是我并不这么认为。目前有一些科学家说有些理论，比如说超弦理论（Superstring Theory），可能永远都无法被实验证实，因此科学的标准需要改变，这是完全不对的。

我们不可能因此就改变对于科学理论的质量要求。科学理论之所以如此强大，正是因为我们有着最严格的验证标准。其中最重要的一个原因就是，任何人都有可能犯错。如果你犯了错，就需要能够被发现并且做出改变。比如说，我们可以拿弦论做例子，最重要的一点在于想要验证它很困难，实际上想要验证任何关于量子引力方面的理论都非常困难，因此弦论还没有完全被科学界所接受。

我会读到很多理论物理学博士的申请，在每一份申请中都会出现同一句话：“20世纪物理学最重要的两个支柱就是量子力学和广义相对论，而目前还没有人知道如何把这两个理论合二为一。”这句话当然是正确的，但是我想在现代，人们起码有了一个看起来有可能成功的尝试，可以把这两个理论结合起来，这就是弦论。但是无论你尝试着使用什么样的理论框架去做，都会非常困难。原因很简单，目前我们能够探究到的最小的事物尺度就是在欧洲核子中心（CERN）利用大型重子对撞机（LHC）进行的实验，这仍然与我们想要探究的尺度差着15个数量级。想要跨越这个鸿沟会非常困难。我想起码在我的生命里是肯定看不到能够进行这样（跨越了15个数量级，直接探测弦论所描述的事物尺度）的实验了。

三联生活周刊：如果是这样的话，对于科学理论的可证伪性又如何能够继续成立呢？

戴维·唐：科学研究不是短时间的，它可能需要几个世纪的努力。至于一个理论是否可以被证伪，这是一个和时间有关的话题。在当下弦论很難被证实或证伪，但是我想在未来还是有机会的。实际上我们可以拿原子论做一个类比。就算我们不认为原子论是从古希腊时代出现的，关于原子的现代科学理论应该也是在18世纪上半叶就出现了。当时的科学家通过思考原子的相互碰撞，提出了气体的原子理论，他们也计算了气体温度和气体原子运动速度之间的关系。

科学家在当时提出的原子理论就像是现代的弦论。如果你假定弦论是正确的，你可以由此推导出广义相对论——而如果在当时人们假设原子存在，就可以由此推导出理想的气体方程。但是当时没有人对原子理论太认真，大多数物理学家也是直到19世纪后期，直到詹姆斯·麦克斯韦的时代才真正开始对原子理论感兴趣起来，有些物理学家则是直到爱因斯坦的时代才真正相信原子论。这个理论被人们忽视了至少150年的时间，因为在当时已有物理学家有了一个极佳的想法，但苦于没有实验证据。

当然了，在这个例子中，原子确实存在，也有很多其他的例子，最后被证明其中的科学假设是错误的。我不知道对于弦论来说最终的结果会是属于哪一种，但现在，这对于物理学来说是一个非常有前途的想法，而对于数学来说是一个非常棒的想法，所以它非常值得人们去探索。从这个角度来说，我们完全没有必要去改变验证科学的标准，同时我们也没必要过早地声称弦论已经成功了。我们需要保持耐心。

美国物理学家爱德华·威腾

三联生活周刊：我们现在是正处于一个科学知识爆炸性增长的时代吗？

戴维·唐：科学的发展当然会有快有慢，在有些时期科学进展非常迅速，比如20世纪20年代量子力学的进步。还有其他例子，比如在20世纪70年代，统计力学和量子相变研究的结合对于量子引力研究起到了很大推动作用，人们在这个时期奠定了量子引力理论的基础。到了20世纪90年代，又是弦论的黄金时代，很多的新想法忽然涌现了出来。

目前我还没有看到之前这样的情形出现，但是确实有其他的一些事情正在发生。我想在不同领域的物理学家之间，人们开始发现彼此有非常多的共同点。比如说研究量子信息理论的科学家开始和研究引力理论和弦论的科学家交流，宇宙学家也开始和弦论学家交流，研究凝聚态物理学的科学家开始和高能物理学家交流……物理学是一个整体，但是在20世纪末期，因为物理学发展得太过庞大，让人看不到它的全貌，物理学家们只是关注自己所研究的领域，但我发现很多不同领域的物理学家又开始重新结合在一起，意识到他们可能正出于不同的目的而研究着相同的问题。我认为这个现象很让人激动，但是我不知道它将把物理学引导到什么方向去。

三联生活周刊：如果说科学的标准没有改变，那么科学家们改变了吗？现在的科学家是不是更像政客，因为他们不仅需要做研究，还需要去“推销”自己的理论？

戴维·唐：我想其实一直都是这样的，唯一的区别可能就在于当代媒体的介入。与“推销”不同的是，我想科学家们去宣讲和推广自己的理论的时候，都是完全相信它们的。如果我们回顾历史，一直都有很多明星式的被大众所熟知的科学家，比如19世纪初期的汉弗莱·戴维（Humphry Davy），当年他在英国皇家学会的演讲一票难求，伦敦很多社会名流每周都去听他的讲座，可以说他就相当于今天的布莱恩·考克斯（Brian Cox，曼彻斯特大学的明星级物理学家）。之后的亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington，英国著名物理学家，以验证了爱因斯坦的广义相对论而闻名）也是一样的，他们既是社会名人，又是非常了不起的科学家。当然也有的人是非常杰出的科学家，但是并不善于和公众打交道，比如爱德华·威腾（Edward Witten），他可能是现在所有理论物理学家当中对于量子引力理论理解得最深刻的一位，他也可以做非常好的公众演讲，但是他不善社交，不善于做电视节目，所以说现代社会与之前最大的区别就在于媒体可以选择把某种理论向大众推销。

三联生活周刊：你支持“多重宇宙”理论吗？

戴维·唐：我想如果不承认多重宇宙正确的可能性在科学上是错误的，它当然是可能的。我们的宇宙学研究目前在理解“宇宙常数”（Cosmological Constant）方面有很大的困难（这个常数的数值恰好可以允许生命在宇宙中存在），我想对于这个问题唯一合理的解释可能就是存在着多重宇宙。当然这也不是说我们应当坚信存在着多重宇宙，因为这个问题也同样非常地难以检验，因此我对这个问题也提不起太大的兴趣。你可以就这个话题和物理学家或数学家陷入永恒的争论——我们并不是哲学家。

英国物理学家亚瑟·愛丁顿

数学是自然的语言

三联生活周刊：你是否认为所有的自然规律都是通过数学的语言来书写的？

戴维·唐：当然了，这一点毫无疑问。人类文明最伟大的成就，就是通过数学手段来寻找自然的规律，并且希望通过最美丽也是最简单的数学公式来描述宇宙。比如说很多人涌入一个地铁站，你会希望用某种数学模型来描述这个社会现象。但是你会发现越是希望描述准确，数学公式就会越复杂，因为必须考虑各种各样的情况。但是在物理学研究中却不是这样的，在建立一个理论模型时，你会希望数学公式越简单越好。当然在不同的物理学领域里会需要不同的数学框架，但是你也会发现在所选择的数学框架中，公式总会是最简单的。因此我们有非常有力的证据显示，自然规律确实是以数学语言书写的。这正是科学的力量之所在。

三联生活周刊：有人认为物理学家需要经常和同行交流以保持对学科前沿发展的了解，而数学家则需要独处，在寂静中进行深刻的思考，事实真是这样吗？

戴维·唐：在这方面我说不好，我自己确实需要经常和同行们进行交流，而且我想数学家们也需要经常相互交流。当然在这方面有一些关于数学家的传说，比如安德鲁·怀尔斯（Andrew Wiles，英国数学家，因证明了费马大定理而闻名）自我放逐了多年，一心只为了解决一个数学问题。但我想大多数的数学家都只是正常人而已，他们进行研究也需要和其他人经常交流。

三联生活周刊：你认为一个数学家和一个理论物理学家最根本的区别在哪里？

戴维·唐：我会认为区别在于他们进行研究的动机。实际上在今天这个问题越来越难回答了，因为数学家和物理学家之间的鸿沟已经消失了，因此有些人可以作为一个数学家却在研究物理学问题。而对我来讲，我可能是介于一个数学家和一个理论物理学家之间，但是说到底还是要由研究的动机所决定。比如我每天起床所想到的都是要去理解宇宙的规律，这让我成为了一个物理学家，同时我也希望能够看到漂亮的数学成果，希望能够从漂亮的数学成果中发现新的物理学。但是根本上，激励我进行研究的并不是数学。当然我也有朋友是接受了理论物理学的训练，但是他对数学研究更有兴趣，他能够在其中发现数学的纯粹性与美。当然了，也有真正的数学家，对自然法则完全不关心，只对数学结构有着深沉的爱。

三联生活周刊：在你的一个演讲中，你提到了在物理学研究中有两个发展方向：一个是向下发展，探索越来越基础的理论;另外一个是向上发展，探索越来越复杂的自然现象。目前在基础物理学领域还有另外一个方向，就是对量子力学的解释问题。你是否认为这也是一个重要的方向，或者只是一个形而上学的问题？

戴维·唐：在实际中，这方面我绝对是一个“闭嘴，去做计算”（shut up and calculate，指以一种实际的态度对待量子力学，不去探究它的深层原因，而是利用数学公式去做计算）类型的物理学家。因为当我们谈到科学的“可证伪性”，量子力学算得上是一个在各个方面都被严格证明了的伟大理论，它在各个方面都做出了惊人准确的预测，经过了起码数百万次的验证。如果它显示自然界（在微观领域）是以概率化的形式展示的，那么你完全可以去接受它。目前我们所获得的所有证据都显示自然规律确实是这样的。

从另一个方面来说，目前对量子力学有各种各样的“解释”，但是我们很难想象能够用任何的实验来确定哪一种解释是正确的——这就让它（解释量子力学）变成了一个不那么吸引人的问题了。对量子力学提出一个“解释”或许会让你感觉到舒服一些，但是我认为它在科学上不是一个很急切的需要被解决的问题。当然了，在这个方向的研究确实让人对量子力学的理解更深刻了，比如说贝尔不等式的提出，而且在过去了100多年之后，我们仍然在追问“量子力学究竟意味着什么”这样的问题，实际上我们并没有取得任何进展。可能一些物理学家在退休之后会愿意思考这类问题，但它现在对我来说确实不是特别的有吸引力。

三联生活周刊：人们不停地提到“大统一理论”，说它为物理学的“圣杯”。它是目前物理学发展的唯一方向吗？我们现在接近得到一个大统一理论了吗？

戴维·唐：我想相比于20世纪80年代，我们现在离所谓的“大统一理论”更远了。在当时，物理学家们都以为自己马上就要成功了。这和我们研究量子引力问题的情况是一样的，这将是一个漫长的过程，我们目前认识到有三种相互作用，而三种相互作用每一种都有一个耦合常数来决定这种相互作用的强度。“耦合常数”这个名字并不准确，因为它并不是一个常数，它与能量相关，而且每一个耦合常数都是不一样的，你需要通过实验去观察和测量它们，然后再通过理论计算去探索它们如何根据能量范围的变化而变化。

我们目前只能在一个很小的能量范围内观测它们，然后再把它们延展到一个很高的能量区域，（在很高的能量区域）你会发现这三种相互作用统一在了一起，这就是目前我们关于实现“大统一理论”最强有力的证据了，这种统一发生在大约1015GeV（GeV是高能物理学领域的能量单位，1GeV=1.60217662×10-10焦耳）的能量区域内。这个能量也非常接近量子引力理论所描述的能量范围。关于这样的“大统一理论”，起码我们已经畅想了30年，但是我们是否能获得关于“大统一理论”的切实证据？我想恐怕很难，但是起码在现在它看起来是个非常美妙的主意。

英国化学家汉弗莱·戴维

这一切都和能量相关。目前我们已经有了大型重子对撞机，它的粒子对撞能量可以达到TeV的范围（1TeV=1000GeV）。这个范围内粒子标准模型还非常准确，但是从目前我们可以达到的1000GeV到“大统一理论”所描述的1015GeV，这个鸿沟我们完全无法跨越，所以问题就在于我们去哪里寻找新的物理學。现在有人就不再去关注“大统一理论”所描述的能量范围，而是转而关注TeV能量范围，因为在这个领域物理学家们可以做出预测，也可以通过实验进行验证。在这个能量领域里我们也还有很多的迷惑，比如说目前人们对于希格斯玻色子的质量问题就还不清楚。

究竟什么是弦论

三联生活周刊：你能否向读者用非常浅显的语言解释一下弦论，M-理论和圈量子引力（Loop Quantum Gravity）理论？

戴维·唐：我们发现在自然界中存在着等级问题，比如说从分子，到原子，到质子和中子，还有电子和夸克等等。而目前我们的知识就停在了这里，我们不知道任何比电子和夸克更小的东西。而弦论认为，当你向更基础的尺度去寻找，无论它是什么，它都将不再是某种粒子，而是一种振动的闭合的弦。这和我们在生活中理解的弦并没有本质的区别，区别在于它们如何振动。

电子、夸克，或许还有光子、引力子等等，可能都是由振动的弦构成的。但是目前人们发现想要用数学描述出振动的弦是一件非常困难的事情。尤其是在20世纪70年代，人们发现要写出与量子力学相适应的弦论方程非常困难——物理学家们花了大约10年的时间才成功。但是最神奇的地方在于，一旦你写出了与量子力学相符的弦论方程，你就可以从中推导出关于物理学的所有定律：你可以从中推导出爱因斯坦的广义相对论、狄拉克方程、麦克斯韦方程，强相互作用的理论和弱相互作用理论，希格斯玻色子……这非常地令人震惊。这正是人们对弦论着迷的原因，它可以成为物理学的基础架构。但是弦论也带来了额外的东西，比如说它认为空间不是只有三个维度，而是还存在着更多的维度。虽然它并没有做出非常精确的预测，但是它可以给出正确的数学公式，它带给物理学家很多的选择。

有人问能否利用弦论进行预测。问题就在于，弦论给出了众多的维度，这给物理学家们很大的自由，可以利用多余的维度做很多事情，但是也因此可以推导出各种各样不同的结果——不同的粒子、不同的相互作用等等。这可能正是弦论的问题，太多的可能性，太多的答案，因此就很难利用它做出任何独特的、唯一的预测。

而关于M-理论，我们写的关于弦论的方程，是建立在弦的尺度是非常小的基础之上的，人们在很长的时间里都无法想象弦的尺度变大的场景，但是这个问题在20世纪90年代被一些物理学家解决了，得出的理论就叫作M-理论。从这个角度来说，M-理论可以说是弦论的一部分，当然了也有人认为弦论是M-理论的一部分，或者可以说这是对于弦论的一个重塑。M-理论认为，空间有隐含的维度，它总共有10个维度，因此我们所说的“弦”（String）实际上是一种“膜”（Membrane）。

关于圈量子引力理论，它的基础在于其实它并没有特别有创造力的想法，而只是回归到了爱因斯坦方程——写出爱因斯坦方程的离散形式，然后把它应用到非常小的时空尺度，再试着对公式进行量子化。问题在于，自然界是以不同的尺度进行组织的，在不同的尺度下看上去可能完全不同。比如说我们看到的夸克和原子、分子尺度的规则就完全不同。因此我们完全没有理由认为爱因斯坦的引力理论在极小的尺度下仍然成立——它应该看上去完全不同，它应该只是在比如太阳系、银河系这样的大尺度范围才成立。

我想这可能正是圈量子理论的问题所在，圈量子引力学家们一直都没有做出开创性的发展，他们希望得出在极小尺度下的相对论的离散形式，但是他们必须展示出这个版本在大尺度下也同样有效。他们或许会说这是个困难的问题，但我认为广义相对论在微小的尺度下不一定成立。目前在量子引力理论方面有很多的尝试，当然也应该有很多尝试，但是我必须说目前能够在小尺度下推导出量子力学、在大尺度下推导出广义相对论的理论，只有弦论。

三联生活周刊：你认为自己是一个弦论学家吗？

戴维·唐：我曾经这么认为，但是现在不了。因为坦白地讲，我认为弦论可能不是自然界的一个基础理论。如果我们回顾物理学的发展史，就会发现自然界的规律很少是人们之前所想象的那样，而且我也很难想象我们能够跨越15个数量级的能量范围，去正确地理解自然界。现在我们还有非常多的谜团没有解开，目前我们解释自然界的理论是量子场论，所以我非常关心的是如何去理解和发展量子场论，因为关于这个理论我们也还有很多不清楚的地方。所以你可以把自己一生的工作目标确定为理解量子场论的所有可能性，再加上超对称理论，其中也有着很多可能。但当你认真地研究量子场论，弦论又会从中浮现出来，所以我们可以认为弦论是量子场论的一个特殊版本。弦论当然会给物理学家带来很多灵感，但是我不会自称为一个弦论学家，我会说自己是一个量子场论学家，或者只是一个理论物理学家。

三联生活周刊：目前物理学界对于弦论也有很多相反的看法，这是否说明物理学正处于危机之中？

戴维·唐：我想情况本来就该是这个样子，因为我们所谈论的是科学的最前沿。我们不知道自己正在往哪儿去。在研究过程中总会是这个样子的，而且大家有不同的意见很重要。目前关于弦论有很多的误解，很多人都会曲解弦论。虽然对于大众来说，最简单的方法就是说弦论是人们所追求的“大统一理论”，但实际上它可能是，也可能不是。

对我来说更重要的是物理学的各个领域结合在一起形成一个整体。当它实现的时候，你会发现我们对自然界有了更深的理解，你原本不理解的东西忽然变得非常熟悉，这才是研究物理学最大的乐趣，这也正是研究弦论所获得的乐趣。所以我确实不知道弦论是否能够正确地描述自然界，或者是所谓的“大统一理论”，但它确实是物理学家进行研究的一个有力工具，它对于我的研究工作非常重要。

三联生活周刊：你在理论物理系的高能物理学组工作，那么你是否认为中国应当花费100亿美元去建设一个超级对撞机？

戴维·唐：当然。对于这个项目可能实现的成就来说，100亿美元实在是太便宜了！因为人们依靠这样的一个超级对撞机可能做出各种各样的重大科学发现，而且这样的一个机器将让中国成为世界物理学研究的中心——这会完全改变世界科研的格局。欧洲核子中心作为世界高能物理学研究的中心已经维持了60年，美国在發现夸克等工作中也发挥了重要作用。而现在，如果我们能再上一个台阶那就太好了！美国政府现在基本上撤销了所有对高能物理学领域研究的投资，也撤销了对美国航空航天局（NASA）的很大一部分投资，现在看起来他们好像准备把从这里省出来的钱去建一堵隔绝美国和墨西哥的墙。

现在看来中国正处在建造这样一台超级对撞机的绝好时机。当然也存在这样一种可能性，就是建造出了一台超级对撞机，但是它并没有做出任何重大发现。在历史上我们确实有这样的经历，我们把实验的能量范围扩大了100倍，但是仍然没有什么重大发现，看起来宇宙可能就是这样的。有可能我们在粒子标准模型之外没有任何发现，但是究竟为什么会这样呢？这只有当我们真正去探索了才知道会发生什么。大型重子对撞机在科学上是一个极大的成功。我们或许可以指望几个理论学家坐在办公室里做计算，但是科学想要取得真正的进展，永远都需要通过实验去验证——而且这个花费确实不算太高。