弦理論、多重宇宙等許多現代物理學思想都可能是不可驗證的。既然如此，我們是否應該相信這些理論？這是科學家和哲學家們在慕尼黑最近舉辦的一場具有歷史意義的會議上所探討的一個問題。
物理學家通常認為他們「不需要科學哲學家和科學史學家，如同鳥兒們不需要鳥類學家一樣，」諾貝爾獲獎者David Gross在慕尼黑對著滿屋的哲學家、歷史學家和物理學家引用了已故著名物理學家理察·費曼的這句話。
但是，非常時期呼喚非常方法。
Gross解釋到，基礎物理學面臨著一個問題，這個問題已經嚴重到需要其它學科的同仁給予幫助的程度。他說：「到了這個時間點，我們需要互相幫助。」
這是一個為期三天研討會的開幕致辭。這個研討會在慕尼黑大學 的一個羅馬風格的大講堂中舉行。前面坐著兩位白髮蒼蒼的物理學家，他們分別是George Ellis 和 Joe Silk。一年以前，正是他們兩人提議舉辦這樣一次會議，目的是為了集思廣益。100位與會者齊聚在這個具有悠久的物理學和科學哲學傳統的著名學府。他們進行了一場被Ellis和 Silk稱為「關於科學之本質與靈魂的戰役」。
如Ellis 和 Silk所講到的，這個危機是由於現代物理理論中的過度推測所造成的。這種現象反映出一種危險的傾向，與科學方法背道而馳。今天的許多物理理論學家僅因為某些理論很美妙或邏輯上很吸引人就說服自己相信此類理論，卻無視它們不可檢驗這一事實。這類理論學家中不乏許多弦理論和多重宇宙假說的支持者。Ellis 和 Silk 控訴這樣的理論學家們「移動了科學的球門柱」，同時模糊了物理學和偽科學之間的界線。Ellis 和 Silk寫道：「科學理論的出版許可只能授予那些可以被實驗驗證的理論，」因此，我們要取消過去40年裡的大多數重要理論的資格。「只有這樣，我們才能保護科學的大廈不受攻擊。」
從某種程度上說，他倆是在回應Richard Dawid提出的一些帶有爭議的想法。後者是一位奧地利哲學家，他在2013年的《弦理論與科學方法》一書中提到了三類「非經驗的」證據，有助於在缺乏經驗數據的情況下，建立對某些科學理論的信心。Dawid目前在慕尼黑大學擔任訪問學者。他響應了Ellis 和 Silk的挑戰，並且邀請世界各地的學者參與了這次盛會，希望大家各抒己見。
Gross 為這次討論文做了開場演講。Gross是一個弦理論的支持者。2004年，他因對原子間作用力的研究而獲得了諾貝爾物理學獎。他斷言，這個問題不是物理學家的問題，而是關於「大自然真相」的問題——在追逐答案的漫漫長路中，我們已經一往無前地奔跑了400餘年。
對於大統一理論的探索是很艱難的，這需要物理學家們越來越細緻地考察我們的宇宙——例如，我們需要考察物質內的原子、原子內的質子和中子、以及質子和中子內的夸克。但是，這种放大觀測尺度的過程總是需要能量的。Gross 說，製造相應設備的難度和成本隨著能量的提高而呈指數級增長。「在過去的400年裡，這些問題都被一一解決了。一開始，我們的觀測尺度是釐米級，而現在已經達到了釐米的幾百萬分之一的幾百萬分之一的幾百萬分之一」——也就是瑞士大型強子對撞機目前的解析度。「我們已經走得非常遠了，但是這個能級的平方會把我們毀滅，」他說。
當我們用自己能力的實用極限去探察自然界的基本原理時，理論學家的心思已經遊蕩到最小可觀測距離以及最大的能量範圍之外去了。強烈的跡象表明宇宙的基本組成單元比目前LHC能達到的尺度還要小億萬倍。這就是「萬物理論」的候選者——弦理論試圖描述的疆域。但是，沒有任何人知道該如何去探索這片未知的領域。
這個問題同樣桎梏著物理學家在宏觀尺度上認識宇宙：沒有一臺望遠鏡能夠望穿我們宇宙的視界，窺見多重宇宙理論所提出的其他宇宙。但是，現代宇宙學理論在邏輯上支持多個宇宙存在的可能性。
無論是因為理論家的得意忘形，還是因為自然的刻意隱瞞造成目前的缺憾，結論都是一樣的：理論已經脫離了實驗驗證。現在理論推測的對象太遠、太小、能量太高或太早，遠到無法用我們現有的技術和設備去觸及或者排除。
那麼我們應該怎麼做呢？
按照Ellis 和 Silk所說，「物理學家、哲學家和其它科學家應該統一出一套新的科學方法，用以解決現代物理學中所遇到的問題。」
Gross 說：「下一步所面臨的問題，不是一種意識形態而是一種策略：什麼是做科研最有用的方法？」
在這三個冬日裡，學者們對如下話題展開了激烈的討論：理論、證實和真理的意義；科學是如何運作的；以及當前哲學是否應該指導物理學方面的研究，或者是否應該反過來，讓物理學來指導哲學的研究。在這些緊迫但是沒有時間限制的討論過程中，大家達成了一定程度上的共識。
遊戲的規則
縱觀歷史，科學的法則經歷了飛速的發展，只有不斷被修訂，才能適應不斷變化的情況。古人相信他們可以通過推理來接近科學真理。到了17世紀，艾薩克·牛頓通過「理性主義」哲學打破了這種觀點，點燃了現代科學，採用了「經驗主義」的方法，也就是科學知識只能從經驗觀察中派生而來。換句話說，一種理論只有被實驗證實後，才可以寫入教科書。
但是一個未經檢驗的理論需要滿足什麼條件才能被認為是科學的呢？理論學家引領科學探索的方式是，想出理論，並把它們放到測試中進行檢驗，然後解釋實驗結果。那麼，是什麼讓理論學家們一直遵守科學標準或法則的約束呢？
今天，大多數物理學家通過奧地利-英國哲學家卡爾·波普爾的經驗法則來判斷理論的合理性。在上世紀30年代，波普爾通過比較愛因斯坦和弗洛伊德的工作，從而在科學和非科學之間劃定了界限。愛因斯坦的廣義相對論認為引力是由於時空的彎曲，做出了有風險的預測——如果這些預測沒有如此成功，就有可能失敗得非常慘澹，從而證偽該理論。但是弗洛伊德的精神分析則非常圓滑：你母親的任何過錯都有可能對你的診斷造成影響。該理論不可證偽，因此波普爾認為這不是科學。
批評者指責弦理論、多重宇宙假說和宇宙暴脹理論處于波普爾界限的非科學那邊。批評者甚至借用哥倫比亞大學物理學家Peter Woit 2006年關於弦理論的書名來指責這些想法「甚至連錯誤都算不上」。在他們的社論中，Ellis和Silk引用波普爾的精髓：「可證偽的理論才是科學。」
但是，在慕尼黑，許多科學家都驚訝地得知，證偽主義不再是科學界最具聲望的理念。紐約城市大學研究生中心的哲學家Massimo Pigliucci指出，正如波普爾自己所認識到的那樣，將可證偽性作為科學和非科學之間的分界線是遠遠不夠的。例如，佔星術是可證偽的，但是它並不是科學。物理學家關于波普爾理論的當務之急是「有些東西真的需要立即停止。」 Pigliucci說，「我們需要討論當前的科學哲學。我們不需要討論50年前是什麼樣。」
如今，正如一些哲學家在研討會所指出的那樣，波普爾主義者的證偽主義已經被貝葉斯證實理論所取代。貝葉斯證實理論是基於18世紀英國統計學家託馬斯·貝葉斯的概率論發展起來的現代化框架。貝葉斯證實理論允許這樣的事實存在，即現代科學理論提出的主張通常遠遠超出了目前可以直接觀察的範圍，所以今天的理論通常很難簡單放入證偽和不可證偽的二分法中。相反，對理論的信任往往落在了連續統的某處，當獲得新信息時，會在0%和100%之間上下滑動。「貝葉斯理論框架比波普爾的理論更加靈活，並且它也能與推理的心理學很好地連接起來，」慕尼黑大學貝葉斯理論哲學家Stephan Hartmann說。
Gross對此表示同意。他說，從Dawid的書中學習貝葉斯證實理論時，他感到「有點像莫裡哀筆下的某位人物說道，「我的天哪，我的一生都在說著平淡無奇的話！」
Hartmann說，貝葉斯理論的另一個優點是，可以幫助像Dawid一樣的哲學家弄清楚「這種非經驗的證據如何適應，或者說可能適應。」
另一種證據
今年49歲的Dawid是一名理論物理學家，有著一頭鬆軟的棕色頭髮，是一個謙和、愛笑的人。上個世紀90年代末，當他在加州大學伯克利分校弦理論研究中心工作期間，他被許多弦理論學家那種儘管缺乏實證支持卻依然堅信自己走在正確道路上的信心所深深吸引。「為什麼他們相信這個理論呢？」他回想起他當時的疑惑。「他們的思考方式與傳統有什麼不同呢？」
弦理論說，當湊近細看時，基本粒子擁有維度，在自然界最小的尺度上表現得像扭擺的迴路和薄膜。根據這個理論，額外維也能實現在時空本身的結構中。在這個更高維的空間中，弦的不同振動模式產生出了組成我們可觀測宇宙的一系列粒子。特別是其中一種振動模式符合「引力子」的特徵，這正是與萬有引力相關的假想粒子。這樣，弦理論將愛因斯坦廣義相對論描述的萬有引力與粒子物理學餘下的部分統一起來了。
然而，弦理論根植於20世紀60年代發展起來的思想，並沒有對可觀測宇宙做出任何可檢驗的預測。為了理解為什麼這麼多學者依然相信它，Dawid報名參加了一些科學哲學的課程。當他發現對該現象所做的研究是如此之少時，他改變了自己的研究領域。
在21世紀初，他指出，有三條非經驗主義的論證使弦理論的支持者對其產生了信心。
首先，似乎只有一種版本的弦理論能夠實現一致的統一；此外，儘管人們付出了不懈的努力，但還沒有其他的「萬物理論」能夠統一已發現的所有基本力。這樣，弦理論成為了一個「缺乏替代方案」的理論，通俗地講就是「弦理論是鎮上唯一的遊戲」，這也增強了理論學家們的信心，讓他們認為幾乎不存在其他可能統一四種基本力的方法，使得弦理論看起來似乎就是唯一正確的路徑。
其次，弦理論是從標準模型中成長出來的理論，而標準模型在它形成的年月中，也沒有可供備選的替代方案。標準模型能在單個數學結構中將所有基本粒子和基本力統一起來，該理論已被人們廣為接受，並且已被經驗所證實。Dawid用這個被他稱為「元歸納」的論點來支持「缺乏替代方案」的理論在過去相似的環境中曾有過成功案例，以此來反對科學家找不到備選方案的原因只是因為不夠聰明的觀點。
第三個非經驗主義論證是，弦理論除了它本身打算解決的大統一問題之外，還意外地對一些其他理論問題作出了解釋。來自加州大學聖芭芭拉分校的Joe Polchinski是一位堅定的弦理論學家，他在慕尼黑會議中閱讀論文時，舉出了幾個被Dawid稱為「意外的解釋性聯繫」的例子。例如，弦理論解釋了黑洞的熵，以及在過去15年中曾掀起一波研究熱潮的驚人發現中，弦理論能在數學上轉換為粒子物理學，例如描述原子核的理論等。
Polchinski總結到，想想我們與自然界最細微的尺度之間的距離，我們理應覺得自己很幸運：「弦理論是存在的，並且我們已經找到了它。」
Dawid在一次訪談中承認了將貝葉斯證實理論放入非經驗主義論證的擔憂：「它打開了拋棄所有科學原則的防洪堤。」為了維護自己偏好的觀點時，人們可以想出各種非經驗的優點來擁護他的觀點。「顯然風險是有的，並且人們應該對這種辯解持小心謹慎的態度，」Dawid說。「但是，承認非經驗實證是科學的一部分，並且其作為科學的一部分已經有一段時間了，這將為討論提供一個更好的基礎，而不是假裝它不存在、默默地使用它然後說我沒這麼做。一旦它進入光天化日之下，人們就能在具體的語境中來討論對它的支持與反對了。」
慕尼黑之爭
歷史的故紙堆中堆滿了美麗的理論。丹麥宇宙歷史家Helge Kragh在2011年的《Higher Speculations》一書細數了這些失敗的案例。在慕尼黑，他在演講中介紹了19世紀的原子渦動說。這個理論由 Scots Peter Tait和Lord Kelvin提出，曾被稱為「成功的萬物理論」。它認為，空間中充斥著一種名為以太的流體介質，而原子是以太中的微觀漩渦。氫氣、氧氣等所有原子歸根結底只是不同的漩渦節點。Kragh說，一開始這個理論「似乎非常有前景」。「人們沉醉於它數學形式的豐富性。用當時的話說就是，足以讓數學家們忙上幾個世紀。」嗚呼哀哉，原子並不是什麼漩渦，連所謂的以太也根本不存在。美麗的理論不一定都是真的。
不過有時候，美麗的理論卻確實有可能是真的。愛因斯坦在理性的引領下得到了他的相對論。即使在相對論被實踐檢驗之前，他也基於理性、全心全意相信它是真的。「我確信，純粹的思考能捕捉到真理，正如古人所夢想的那樣，」1933年，愛因斯坦如是說。一年前，他的理論剛剛被太陽周圍彎曲的星光所驗證。
而哲學家的問題是：如果在不進行實驗的情況下，如何區分原子渦動說和愛因斯坦相對論二者的非實證特點的區別？我們是否能相信一個沒有經驗基礎的理論？
在研討會的第三個下午，慕尼黑大學哲學家Radin Dardashti說，Dawid的哲學特别致力於確定哪些非經驗主義論證是重要的，並允許科學家「不根據簡單性來做出評估，而簡單性並不以美作為基礎。」Dardashti解釋說，Dawid式的評估理應比這些度量更加客觀，並且更能揭示出一個理論真正的前景。
Gross說Dawid「優美地描述了」物理學家們用來「獲取對推測、新想法和新理論的信心」的策略。
約翰霍普金斯大學80歲的老哲學家和科學史學家Peter Achinstein說：「你是指認為它是真實的信心？認為它有用的信心？還是……」
「讓我們對信心做一個可操作的定義吧，那就是：我會繼續研究這個理論，」Gross說。
「這可真低，」 Achinstein說。
「對科學研究來說可不低了，」Gross said說。「這是很重要的問題。」
Kragh指出，即使是波普爾也清楚那種驅動弦理論學家的思維方式的價值。波普爾將無法得出可檢驗預測的推測稱作「形上學」，但是他認為這種活動很值得，因為未來它或許可能變得可檢驗。對原子理論來說，確實如此。19世紀時，許多物理學家都擔心原子理論永遠不能被經驗證實。Kragh說：「波普爾並不是一個幼稚的波普爾主義者。如果一個理論不能被證偽，我們不應該放棄它。我們需要等待。」
但一些與會者對貝葉斯證實理論表達了擔憂，特別是Dawid的非經驗主義觀點。
法國艾克斯-馬賽大學的Carlo Rovelli是圈量子引力理論的支持者，他反對「貝葉斯證實理論無法區分科學家已肯定的理論與尚在檢驗中的理論之間的重要區別」的觀點。貝葉斯主義「確認」原子100%存在，這是無數實驗的結果。但是Rovelli說，原子理論的確認程度甚至不應該與弦理論使用相同的度量單位。弦理論的確認程度不及原子理論的10%；二者處於完全不同的狀態。Rovelli 說：「Dawid的『非經驗主義論證』的問題在於，它含混了重點。當然，許多弦理論學家非常樂意這樣混淆重點，因為這樣，他們就可以說弦理論已經被『確認了』。模稜兩可。」
德國物理學家 Sabine Hossenfelder在她的演講中論稱，基礎物理學的進步常來自於拋棄過去珍視的偏見Rovelli附和說：「Dawid的非經驗主義確認方法對這種進步的可能性形成了阻礙，因為它只把我們的信任建立於自己過去相信的東西之上。」他繼續說：「它帶走了一些工具——或許帶走了科學思考的靈魂自身，那就是『不要相信你自己的思考。』」
慕尼黑會議的內容或許將在2017年編撰和發表。根據Ellis的說法，這次會議的一個重要結果就是，參會的弦理論學家們一致認同，從證實的角度看，弦理論並沒有被「確認」。Ellis在電郵中寫到：「David Gross的觀點很清楚：Dawid的標準對證明某些理論研究工作的合理性來說很有用，但並不是說這些理論已經用非經驗主義的方法證實了。我認為，這似乎是一個不錯的觀點——清楚地說明，這是一個進步。」
在談及理論學家應如何繼續工作時，許多與會者都表達了同樣的觀點：弦理論和其他目前還無法檢驗的理論研究應當繼續。Achinstein在會後的一封電郵中寫到：「繼續推測。積極進行推測，給出你的解釋，但是必須承認它們只是可能的解釋。」
「或許有一天，事情會發生改變，」Achinstein補充到。「或許推測會變得可檢驗；或許也不會，永遠不會。」我們可能永遠無法確認宇宙運轉的方式。他說：「但是，或許你能把可能性減少到少數幾個。我認為這也是某種進步。」