為什麼弦理論不是科學理論?

2020-12-23 天文在線

定義科學有非常多鍾方法,但也許每個人都可以同意的一個方法是:

1.收集有關自然界或特定現象的知識;

2.提出了關於該現象的合乎自然規律和物理解釋的可檢驗假設;

3.對假設進行檢驗,驗證或推翻它;

4.並且構建了一個總體框架或科學理論來解釋該假設,並藉此對其他現象做出預測;

5.然後對其進行進一步測試和驗證(在這種情況下,尋求值得測試的新現象,返回步驟3),如果推翻了假設,在這種情況下,需要提出新的可檢驗假設(返回到步驟2)...

就這樣繼續下去。

這個科學過程通常涉及不斷獲取更多、更新的數據,當研究超出了理論的有效性範圍時,完善或推翻替換假設,並繼續進行測試以使理論能夠接受進一步的檢驗。

無論我們是否能充分認識到,科學就是這樣在一直進步。日心說取代了地心說,因為它為地心說無法說明的現象作出了合理的解釋,包括:

木星的衛星

(圖片來源於: 維基百科的用戶Nichalp and Sagredo,日心模型中金星的相位和角度大小))

牛頓力學取代了克卜勒定律,因為它對地面力學和天體力學具有普適性。就連愛因斯坦的相對論,無論是狹義的還是廣義的,都是由於牛頓力學無法解釋接近光速和處於強引力場當中的行為而產生的。

它所提供的觀測條件遠超於牛頓時代所局限的範圍,例如可以對放射性衰變元素的粒子壽命以及水星在幾個世紀以來圍繞太陽運行的軌道進行測量。在新的體系下,我們能夠以更高的精度以及更長的時間跨度來不斷收集數據,這使我們能夠看到現有科學理論的不足和超越、拓展它們的可能性。

如今,愛因斯坦的廣義相對論仍然是主流的引力理論。一路走來,它通過了各種實驗和觀察的測試,從引力透鏡到相對論框架再到二元脈衝星軌道的衰變。其他三種基本的力——電磁力、強力、弱力,都由量子論來進行描述。這兩類理論從根本上說是不相容和不完整的,它們表明,儘管標準模型取得了成功和引力量子理論也有其必要性,但是宇宙仍然比我們目前所理解的要複雜得多。

(圖片來源於:NASA,一位藝術家提出的概念——利用重力探測器B環繞地球的軌道來測量時空曲率)

解決這個難題的一種選擇是弦理論,或者認為我們所感知到的一切都是粒子,又或者力就是閉弦或開弦的激發,它以特定但獨特的頻率震動。

似乎,通過稱其為「弦理論」而將其表示為一種科學問題的解決方案,我們已經給出了肯定的回答:是的,弦理論就是一種科學理論。但它僅僅是數學意義上的理論, 這意味著它有自己獨有的一套公式、假設、元素與由其推導的定理和推論。集合論、群論、數論都是數學理論的例子,弦理論也是如此。

(圖片來源於:維基百科用戶Lunch,卡拉比-丘流形的二維投影,一種壓縮弦理論多餘維度的普遍方法。)

但這是物理理論嗎?

它能夠進行物理預測,例如:

1.存在十個維度;

2.基本常數是由弦理論的「真空」決定的;

3.超對稱粒子的存在;

4.在五維空間中的量子引力理論和在該空間的邊界(即四個維度上)沒有引力的場論之間存在數學上等價的關係;

毫無疑問,這些都是關於物理宇宙的預言。但是我們可以檢驗這些預測中的任何一個嗎?

圖片來源於:維基百科用戶Rogilbert

到目前為止,答案是否定的。第一個預測是一個棘手的問題:我們需要擺脫六個維度,才能回到我們所能看到的宇宙,而實現這一目標的方法比在宇宙存在的原子還多。更糟糕的是,每種方法都會給弦理論帶來不同的「真空」,而且沒有明確的方法能夠描述我們所居住的宇宙的基本常數,這是第二個預測。第三個預測是沒有意義的,我們需要獲得比大型強子對撞機所能產生的能量高約1015倍的能量,僅能證明弦理論不能被排除在外,而不能證明它是對的。最後一個預測是一個數學性的預測而不是物理預測。它不能為我們提供尋找或測試宇宙性質的任何特定條件。

儘管本月初有一個完整的會議在喬治·埃利斯(George Ellis )和喬·西爾克(Joe Silk)一年前寫的一篇有爭議的意見書的刺激下進行,但答案卻很明確: 不,弦論尚未達到科學理論的水平。正如薩賓·霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)和戴維· 卡斯特爾維奇(Davide Castelvecchi)報導的那樣,人們試圖將其轉變為科學的方式是重新定義「科學」。

(圖片來源於:吉恩·皮桑蒂(Gideon Pisanty),鬱金香,多哈波寧海灘,以色列,2012年2月26日。)

這是何等荒謬!如果我給你看一朵鬱金香說:「這是一朵玫瑰」,你可以向我展示世界上所有的玫瑰,然後說:「不,這些是玫瑰,那是一朵鬱金香。」 如果然後我將玫瑰的定義更改為包括鬱金香,那會不會導致鬱金香變成玫瑰?還是我只是將一個有用的定義和區別變成一個不太有用的定義和區別?

如果您想提高科學理論的水平,則必須做出可檢驗的假設,從而做出可證偽或可驗證的預測。甚至是由於諸如多元宇宙之類的既定理論而產生的物理狀態,也並非科學理論,直到我們有辦法能夠確認或者反駁它。再好的假設,也僅是一個假設。弦理論的有趣之處在於,它最初被提出來時,被稱為弦假說,因為人們認識到該假設還未發展為成熟的理論。(當熱,在當時,它假設存在於原子核內部的基本實體是「弦」而不是夸克和膠子。)

它仍然是一種物理假設,也許有一天它將成為一種物理上有趣的科學理論。那天到來時,我們都將自豪地歡迎弦理論作為科學進入人們的視野。在此之前,我們都可以同意弦理論非常有趣,它具有很多可能性。然而,這些可能性對我們的宇宙而言是否有實質性的意義,這是今天還無法解決的問題。

相關知識

弦理論,又稱弦論,是發展中理論物理學的一支,結合量子力學和廣義相對論為萬有理論。弦理論用一段段「能量弦線」作最基本單位以說明宇宙裡所有微觀粒子如電子、夸克、中微子都由這一維的「能量線」所組成;換而言之,弦論主張「弦」以不同的振動模式對應到自然界的各種基本粒子。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.forbes- Dotcalm- Ethan Siegel

如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處

相關焦點

  • 宇宙理論之爭!弦理論最終會被M理論統一嗎?
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。弦理論的誕生伴隨著時代的契合和要求,它符合了科學家創造出的一切理論和未知的想像。然而在20世紀90年代早期,弦理論陷入了理論困境。5種弦理論在談到弦理論的類別之前,我們必須對弦理論有個初步的概念。弦論的一個基本觀點是,自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子,而是很小很小的線狀的「弦」,這些可以是有端點的「開弦」,也可以是圈狀的「閉弦」。
  • 揭開弦理論的真面目:弦理論是解釋宇宙所有問題的終極理論嗎?
    真相是,四種理論是對同一事物——量子的不同解釋,雖然構建的時間有先後順序,但是這四種理論卻是平行的,而不是線性進步的。事實上,經典電動力學是一種認為量子是波的量子力學,人們所說的量子力學是一種認為量子是具有波粒二象性的粒子物理學,而弦理論是一種認為量子是弦的量子力學。請注意,弦理論是另一種獨立的量子力學。現在的問題是,波粒二象性已經過時了,現在的量子不是波粒二象性,而是具有波粒弦三象性。
  • 從「弦理論」到「超弦理論」再到「M理論」,真是傻傻分不清楚
    相信不少人第一次聽說「弦理論」這個詞是從《生活大爆炸》中的謝耳朵開始的。看看謝耳朵介紹自己的職業時是怎麼說的:加州理工的高級理論量子物理學家,主要研究M理論,或者用外行人的話說叫弦理論。相信不少人會很費解,提及弦理論時會聽到各種不同的名稱:弦理論、超弦理論、M理論等等,它們之間到底有什麼區別呢?其實,弦理論的發展分為好幾個階段,每個階段的名稱也是有所變化的。玻色子弦理論以弦這個概念為基礎的第一個弦理論,準確的叫法是「玻色子弦理論」。玻色子弦理論是最早的弦理論版本,但由於存在一些根本性的錯誤,所以很快就被扔到角落了。
  • 弦理論:來自天堂的傳說,想要統一相對論和量子力學的超級理論
    當今的「Black Lives Matter」是一種正治正確,物理界也有一個「科學正確」,即現有的物理理論不容質疑。誰敢說某某理論是錯誤的?誰敢說波粒二象性是錯誤的?面對這種情況,人們只能創建新的理論來解決現有理論無法解決的問題。為什麼量子具有振動的頻率和波長呢?粒子如何產生振動的頻率,如何描述波長這種現象?
  • 弦理論 VS M理論:究竟誰能解釋宇宙萬物
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。弦理論 VS M理論:解釋宇宙的對決在弦理論中,微小的弦取代了傳統的亞原子粒子。弦理論的五個模型這五種不同的弦理論有一些共同點。首先,它們都涉及弦,也都要求我們的宇宙有10個維度:通常是3個空間維度,1個時間維度,還有6個更袖珍的維度——它們很小,以至於在亞微觀的尺度上捲曲在一起。
  • 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?
    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。」
  • 【宇宙探秘】在弦理論基礎上,黑洞毛毛球理論出現,它顛覆了我們對...
    1976年,物理學家史蒂芬·霍金意識到黑洞並不是一成不變的,由於量子力學的奇異性,黑洞會慢慢蒸發,這也導致了一個悖論,所有落入黑洞的物質或能量都被吸收進去,但所謂的霍金的輻射並沒有將它們釋放,那麼當黑洞最終蒸發時,吸收的物質或能量都去了哪裡?
  • 弦理論為何引發爭議?我們能從弦理論中得到什麼,這些假設又有何意義
    似乎,通過稱其為「弦理論」而將其表示為一種科學問題的解決方案,我們已經給出了肯定的回答:是的,弦理論就是一種科學理論。但它僅僅是數學意義上的理論, 這意味著它有自己獨有的一套公式、假設、元素與由其推導的定理和推論。集合論、群論、數論都是數學理論的例子,弦理論也是如此。
  • 被稱為「物理的終極理論」的M理論,到底想要證明什麼?
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。人類可以用科學尋找到宇宙中的一切真理嗎?。大到宇宙空間,小到微觀粒子,一切物質的運動規律和基本結構,都在物理學的研究範圍內,因此物理學可以說是其他科學的基礎,也是人類認知宇宙的基礎,物理學的理論結構是「數學」+「實驗」,因此物理學是人類現在最精密最準確的一門學科,簡單來說物理學是人類探索宇宙本質的基礎,或許這就是為什麼物理學家的研究可以改變世界的原因。
  • 弦理論能解釋黑洞奇點處的物理現象嗎?
    事實上,弦理論的一個主要名聲是他們對黑洞的更合理的處理。主要是通過消除奇點。這裡最大的建議是,事件視界內的整個區域都充滿了他們所稱的「模糊球」——退化(塌陷)物質的最終狀態,它不能再塌陷下去。沒有奇點。
  • 神秘的暗物質,未解之謎,那就用弦理論掀開它的面紗吧!
    弦理論由於引入了「膜」的概念,把原來的超弦理論的9維又加了1維,從而變成了10維,得到的結果不僅把五個版本的弦理論統一了,還解決了之前那個超引力理論存在的手徵性問題。於是一套融合了各家理論的一個超級理論就誕生了,就是M理論。
  • 量子力學與廣義相對論以及弦理論
    而廣義相對論是一門有關時空和引力的理論,根據廣義相對論,引力是有質量的物體扭曲時空的表現。太陽對行星的吸引以及宇宙中天體的引力現象,就是時空彎曲造成的,廣義相對論可以對天體的軌道進行精確的預言,在宇宙空間中是廣義相對論支配者天體的運行。
  • 多元宇宙論是一種科學理論嗎?
    對於那些更喜歡生物學而不是物理學的人來說,達爾文進化論同樣能說明這個道理:遺傳學超越進化論,DNA的發現進一步超越遺傳學。科學就是以這種方式前進的:不是通過否定已有理論而是擴展從而來更好地總結出適用於宇宙各種現象的一套理論。那麼,多元宇宙論從何而來?它是什麼?為了理解這一點,讓我們從宇宙本身開始。
  • 最有可能統一所有力的理論:超弦理論 楊振寧對此表示不以為然
    弦理論是理論物理的一個分支學科,弦論的一個基本觀點是,自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子,而是很小很小的線狀的「弦」(包括有端點的「開弦」和圈狀的「閉弦」或閉合弦)。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子,能量與物質是可以轉化的,故弦理論並非證明物質不存在。
  • 既無法證實又無法證偽,弦理論還能走多遠?
    為了解決這個問題,在過去的幾十年裡,理論物理學家們至少提出了十幾個新理論,在粒子物理學領域,有擬色理論、前子模型和超對稱性;在時空物理學領域,有扭量理論、因果集、超引力、動力三角化、圈量子引力理論以及弦理論。在所有新理論中,每個理論都從一個令人信服的假定出發,但至今還沒有一個成功的。
  • 額外維度是直接驗證弦理論的「攔路虎」,但還有五點可間接驗證
    可以說,例子中的那些事物我們現在是完全相信的,而且已經被寫進了教科書,但當初它們卻更像是科幻小說中的幻想,沒有一點科學事實的影子。那麼,不能直接驗證存在額外維度,弦理論就必然走入一條「死胡同」嗎?還能通過其他別的辦法找到弦理論成立的證據嗎?愛德華·威騰曾提出一個十分大膽的猜想:天文學家可能有一天會在他們收集的天文數據裡發現直接的「弦」。
  • 神秘而高深莫測的「弦理論」,它是如何降臨在那不屬於它的時代?
    目前這種沒有考慮引力,只把強力、弱力以及電磁力三者統一起來的理論,也叫做大統一理論。但是它並不是真正意義的大統一,可以算是初級的大統一理論吧!什麼時候把這個引力統一進來,才算是真正意義上的大統一。剛才說的這些都是背景。弦理論並不是像有些科普文章裡說的,為了這個終極的大統一理論而應運而生的,雖然人們也一直在探尋這個終極的大統一理論。
  • 為什麼21世紀都過去了五分之一,還沒有出現偉大的科學理論?
    這個時候,很多人就會產生這樣的一個疑惑:為什麼21世紀都過去了五分之一,還沒有出現能夠比肩牛頓,愛因斯坦的偉大科學家?還沒有出現偉大的科學理論?難道是人類的智慧退化了?曾經有科學家提出這樣一個觀點,那就是人類近百年來的基礎科學並沒有實質性的突破,人類文明的發展遇到了桎梏。
  • 高維度理論為什麼不能存在,看看此文就懂了
    偏偏要給自己找麻煩,這不是聰明人該幹的事情啊。於是他成功了。愛因斯坦最牛的地方,當然還是廣義相對論了,因為如果不是他,廣義相對論可能現在也沒有弄出來。而最重要的是他的研究思維與眾不同,他說:「想像力比知識更重要。」你們一定要懂這句話的深意。原來的科學都是先實驗,然後從實驗數據找規律,推導公式。
  • 宇宙大爆炸理論是一個科學理論,與盤古開天地傳說完全不是一回事
    而宇宙起源的「奇點」理論呢?它是一個科學理論!有人可能會提出質疑:宇宙大爆炸理論不一定正確的,為什麼成為科學理論呢?它只是一種假說! 這是對科學本質的不了解!科學只是人類了解宇宙的一種方式,它本身並不等同於正確,科學本質上上也是一種假設,它具有可證偽性! 宇宙大爆炸後經歷了暴漲階段,黑暗階段,一直在膨脹中。 1922年,埃德溫·哈勃發現了宇宙紅移現象,所有遠方的星系各向同性遠離我們而去,因此發現了宇宙是膨脹的。