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当代科学方法对决:现实vs逻辑  

2011-09-08 22:56:36|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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最近有研究发现宇宙的膨胀速度并未减缓,而是如原先推导的那样逐渐加速。来自远方恒星爆炸所产生的光揭示出在宇宙学范畴内存在一种比引力更加强大的未知力量(人们称之为“暗能量”)。

但出乎研究者意料的是,阿尔伯特·爱因斯坦在1915年修正自身引力理论时就已经预判了这一力量的存在。但他随后却放弃了这一名为“宇宙项”的修正,并将其称之为一生中“最严重的失误”。

于是各大报章头条都惊呼:“爱因斯坦最后还是对的!”仿佛科学家们都是一帮拥有千里眼顺风耳,洞察不可知事物的特异人士——而这些不可知事物包括一些尚未进行,甚至还未构想出来的实验所得出的结果。试问这些擅长马后炮的人中又有谁曾经做出过准确预测?

但科学并不是科学家之间的竞争;而是一场理念的竞技——所谓理念,也就是解释现实存在的究竟是何种事物,而这种事物又是为何以及如何运动。这些解释最初往往都无法通过实验来验证,只能通过用以解开自然之迷的推理,逻辑,适用性以及独特性等条件来检测。而预测只是用来验证能通过上述条件考验的很小一部分解释。

而爱因斯坦为何提出宇宙常数,随后又放弃,如今又被宇宙学家重新引入的经历恰好展示了这一过程。爱因斯坦尝试避免未修正前的广义相对论所引出的结论:宇宙不可能是静态的——这意味着宇宙可以膨胀(在自身引力影响下逐渐放缓),坍塌或者突然进入静止状态,但它不能在没有支撑的情况下存在。

这一特定推测无法得到验证(即便宇宙真的陷入静止,也没有任何观测手段能确认这一点),但同时又不可能随意改动广义相对论的相关方程,因为它们都受到爱因斯坦理论中某些基本解释的限制,比如引力来源于时空的弯曲,对于所有观测者来说光速都是相等的等解释。

但爱因斯坦意识到有可能在不破坏其他解释的情况下添加一个特殊项——即宇宙项——并调整其数量来推测一个静态的宇宙。其他所有基于原有牛顿引力理论的预测当时都可以得到验证,而且都与未修正的广义相对论的推测极为相近,只有一个例外:牛顿的空间是一个相对于运动物体的不运动背景。当时没有任何证据能反对牛顿的观点——也没有未知的膨胀需要解释。此外任何脱离这一传统空间概念的理论都需要实现相当大的观念跳跃,而宇宙项并未对其他预测造成可测量的差异。因此爱因斯坦把它添加了进来。

随后在1929年,埃德温·哈勃发现宇宙正在不断膨胀,而且以当时的观测精度看来该发现与修正前的广义相对论相一致。于是爱因斯坦又舍弃了宇宙项。他这样做并非因为哈勃以甚少犯错著称;也并非臣服于哈勃的超凡预测能力,只不过因为这一宇宙项所试图解决的问题已经不存在了。

当时那些新观测结果也并未否定宇宙项的存在,仅仅是说明该项是一个不太好的解释罢了。结果1998年的更新观测结果发现宇宙正在加速膨胀。结果“重新引入”来解释这些新观测的宇宙项已经与爱因斯坦当年提出又撤销的那个有所不同了。它变得更加宏大,因为不仅要解释为何宇宙没有坍塌,还要说明为何在加速膨胀。

而爱因斯坦所谓“犯了大错”的评论也跟如今“终于胜利”的说法一样具有误导性。宇宙项不是一个永远不应被提出的东西。它的引入代表了人们在认识现实的过程中所取得的进步——而它在哈勃观测结果公布后的被舍弃,以及在新发现后以一种修正后的新形式被重新引入都同样说明了这一点。

同样,上世纪中叶的“波尔-爱因斯坦量子理论之辩”往往被误读为是一场天才人物之间的冲突。在该领域其中一个领军人物尼尔斯·波尔的带动下量子理论的推测是如此的违反直觉,以致人们认为根本没有任何基本现实能解释这些推测。从A点向B点运动的粒子不需要穿过中间的空间,在这个空间中粒子并没有足够的能量来维持其存在;它们只是暂时“借用”能量,因为我们“不确定”究竟它们的能量来自何处。信息从A点到B点无需穿过任何东西——爱因斯坦称之为“幽靈般的超距作用”。相似的例子还有很多。

而这类自相矛盾的解释的共同点就是都抛弃了现实主义,而现实主义这一基本信条认为存在于现实中的物理世界解释了我们的所有经验认识。当今量子理论中的反现实主义依然流行,并以各种面目跻身于教科书和流行解释之中。但爱因斯坦坚持物理现象必须可以用他所谓的“实体要素”来解释。

幸运的是,包括笔者在内的一小部分物理学家都采纳量子物理学家休·艾弗雷特的多世界诠释,并明确地站在了现实主义一边。根据这一诠释,在没有足够能量的情况下粒子是不存在的;在某些宇宙中它们拥有比平均水平更多的能量,而在其他宇宙中则较少。至此量子理论中的所有所谓“矛盾”都迎刃而解。

因此当大多数解释认为波尔赢得了论战之时,我的看法则是当爱因斯坦一如既往地寻找一个实体解释之时,他的对手却在鼓吹虚无。而艾弗雷特的解释也并不是将爱因斯坦神化,只是再次证明了后者的正确而已。


by Armen Levitt

作者注:原文为外文写作。为便于网友阅读及普及经济学,现特将本文改为中文。

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