科學家為什麼說弦理論據稱是「唯一」能夠統一四種基本力的理論?

2017年以來，物理學界的爭論出現了一個令人擔憂的走勢。面對把基本理論應用於可觀測宇宙時的困難，一些研究人員呼籲改變理論物理學中已有的一些信條。他們開始明確地提出，如果一個理論足夠優美且能夠解釋現象，那麼它不需要實驗的檢驗。這無疑打破了數百年來通過實證鑑定科學知識的哲學傳統。如科學哲學家卡爾·波普爾（Karl Popper）所說，理論的科學性必須是可證偽的。

一些弦理論家是「優美已足夠」的大力倡導者。由於弦理論據稱是「唯一」能夠統一四種基本力的理論，因此他們認為它必定是真理，即便它依賴於我們無法觀測到的額外維度。一些宇宙學家也開始放棄對用實驗驗證基本假設的堅持，這些研究領域包括多重宇宙（包含無數的宇宙）、量子現實的多重世界解釋（觀測行為會使得現實出現平行的分支）和宇宙大爆炸之前。

這些無法證實的假說和那些直接與現實世界相連且可以通過觀測檢驗的——例如，粒子物理學的標準模型以及暗物質和暗能量的存在——截然不同。如我們所見，理論物理學正在冒險進入數學、物理和哲學之間的真空地帶，無法真正滿足任何要求。

可檢驗性的問題已經潛伏了十多年。在科普書籍和科學論文中，已經有批評弦理論和多重宇宙的聲音。 2016年3月，理論物理學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）在《自然》 雜誌中寫道：「暴脹宇宙學理論已不再是科學，因為它是如此靈活，可以與任何觀測結果相調和。」理論家和哲學家理察·戴維（RichardDawid）和宇宙學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）對這些批評進行了反駁。

但是，他們崇尚的激進步伐還需要仔細地推敲。這場關於物理學靈魂的論戰爆發於科學結果——從氣候變化到進化論——遭到一些政客和宗教原教旨主義者質疑之時。科學家和哲學家之間更深層次的對話必然要包含公眾對科學的信心，以及對基本物理學的本質受到的潛在傷害的關注。

弦理論

弦理論是一個精心設計的理論，通過在更高維空間中微小的（一維）弦和（高維）膜來統一現有的物理學。較高的維度都緊緊地捲曲了起來，尺度都太小，即便是未來的粒子對撞機也達不到探測它的能標。

弦理論的某些方面原則上是可以通過實驗來檢驗的。例如，在弦理論中引入了費米子和玻色子間的對稱性——超對稱性——之後，它預言每種粒子都存在一個尚未被發現的夥伴粒子。歐洲核子研究中心的大型強子對撞機到目前為止還沒有發現任何夥伴粒子，對在超對稱性可能存在的能量範圍進行了限定。如果這些夥伴粒子繼續不見蹤影的話，可能永遠也無法知道它們是否存在。當然，支持者總是可以聲稱，這些粒子的質能比我們所能探測的質能更高。

戴維認為，弦理論的真實性可以通過對研究過程的哲學和概率論證來確立。他援引貝葉斯的理論，認為如果一個理論「正確」或「可行」的概率在不斷提升，它就可以被認為得到了確認。這一概率的增加可以是純理論性的，因為「沒人能找到一個更好的方案」和「該理論沒有其他可行的替代方案 」，於是他認為弦理論應該被視為是正確的。

這是「射門不成，移動門柱」的做法。和通過觀測證據來佐證科學理論的信念相反，他認為理論發現可以鞏固這一信念。然而，從數學邏輯得出的結論未必適用於現實世界。從宇宙的穩恆態理論到粒子物理學中意圖統一弱電力和強力的SU（ 5 ）大統一理論，實驗已經證明許多優美而簡單的理論是錯誤的。波普爾和其他 20 世紀的哲學家已經否定了不以事實為根據就推斷出真理的做法（歸納法優越論）。

我們不知道是否有其他的理論。可能只是還沒有找到它們。或者，這一提法可能就是錯誤的。如果由時空曲率來描述的引力確實有別於統治粒子的強力、弱力和電磁力，那也許就沒有必要建立一個有關四種基本作用力和粒子的統一理論。有著眾多變體的弦理論本身甚至都沒有明確的定義：這是一張期票，也許會存在這樣一個統一理論。

許多的多重宇宙理論

驅動多重宇宙理論發展的是一個謎題：為什麼自然界基本常數——例如，描述粒子間電磁相互作用強度的精細結構常數和與宇宙加速膨脹有關的宇宙學常數——的數值恰好位於能使生命得以存在的小範圍之內。多重宇宙理論認為，還存在數十億個不可觀測的宇宙，在它們中，這些常數可以取一切可能的數值。其中一些會和我們的宇宙一樣適宜生命生存，另一些則不會。

一些物理學家認為，多重宇宙是許多離奇巧合的最佳解釋。例如，宇宙學常數難以解釋的微小數值，它比量子場論的預言小了120個數量級。

作為多重宇宙和多重世界假說的倡導者，卡羅爾反駁了波普爾的證偽標準，將其稱為「鈍刀」。他提出兩個其他的要求：一個科學理論應該是「確定性」的和「實證性」的。卡羅爾說，「確定性」指的是這個理論「就現實如何運轉有清晰和明確的表述」。對於「實證性」，他同意傳統的定義，即應該通過解釋測量數據的能力來判斷一個理論是成功還是失敗。

他認為，不可及的宇宙會對我們的宇宙產生「戲劇性的效果」，由此可以解釋為什麼觀測到的宇宙學常數是如此之小。但在多重宇宙理論中，這一解釋可以不顧天文學家的觀測結果。宇宙學參數所有可能的組合會存在於某個地方，而這個理論本身也有許多可調的參數。其他理論，例如單模引力和修正了的愛因斯坦廣義相對論，也可以解釋為什麼宇宙學常數很小。

有些人已經提出了更易於檢驗的多重宇宙理論。如果測量發現宇宙具有負的空間曲率，那就可以否定物理學家倫納德· 薩斯坎德（Leonard Susskind）提出的版本。不過，這一發現對其他眾多的多重宇宙理論來說並不能說明什麼。從根本上說，多重宇宙的解釋依賴於弦理論，而弦理論本身還未經證實，它還依賴於某種機制，能在不同的宇宙中實現不同的物理學。這絕不堅實，更遑論可以檢驗。

物理學家休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出的對量子現實的多重世界解釋是最終的量子多重宇宙，在其中，量子概率會影響到宏觀世界。根據埃弗雷特的觀點，在密閉的箱子裡通過隨機放射性衰變放毒，每一隻薛丁格的貓，其是生是死在自己的宇宙中是真實發生的。每當你做出選擇，即使是再平常不過的選擇，比如說向左走還是向右走，都會在量子真空中誕生出新的宇宙，以適應其他的行為。

數十億個宇宙、星系和我們每個人的「副本」，無法相互建立通信，也無法對其進行檢驗。但是，如果在每一個多重宇宙中都有一個我的「副本」， 並且可能有無窮多個，那麼哪一個才是我現在正在經歷的真正的「我」？是否存在一個優先於其他的「自我副本」？如果有一個我的「副本」青睞多重宇宙理論而其他的「副本」則反之，那麼「我」又該如何知曉現實的真正本質呢？

宇宙學家應該注意數學家希爾伯特的警告：雖然數學上確實需要無窮維度的向量來實現完備的函數系，它並不存在於物理宇宙中。

通過檢驗

理論物理學家薩賓·霍森費爾德的觀點：後實證科學就是一個矛盾。量子力學和相對論之所以是正確的理論，是因為它們做出了預言並在實驗檢驗中存活了下來。然而，從託勒密的地心說到開爾文的原子「旋渦論」，再到弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）的宇宙穩恆態理論，大量的歷史教訓提醒我們，在沒有充足數據的情況下，即便是優美且令人信服的想法也會把科學家引入錯誤的方向。

過分宣揚某些理論意義的後果是沉重的——科學方法會變得岌岌可危。宣稱一個理論是如此之好，它的存在便取代了對數據和檢驗的需要，這一做法有誤導學生和公眾的風險，比如該如何做科學研究？同時還有可能為偽科學家大開便利之門。

怎麼辦？物理學家、哲學家和其他科學家應該在當今物理學的框架下制定一個與其相適應的對科學方法的釋義。這個議題可以歸結為澄清一個問題：什麼樣的潛在觀測或實驗證據能夠令你相信某個理論是錯誤的並使得你放棄它？如果沒有，那它就不是一個科學理論。

這必須在正式的哲學術語下來描述。作為最初的步驟，未來應該召開一個會議，有關可檢驗性辯論的雙方都必須參加。

與此同時，期刊編輯和出版商可以根據其潛在的可檢驗性把這些工作歸入其他研究範疇，例如數學，而不是物理宇宙學。一些物理學院系和研究所被這些研究一統天下的局面也需要重新思考。

科學的讚許應該只授予可檢驗的理論。只有這樣，我們才能捍衛科學免受攻擊。