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Lee Smolin 和他的《The Trouble with Physics》

- 上篇 -

- 卢昌海 -

2006 年, 超弦理论遭遇了一次重大的公关挑战, 两部 “反弦” 著作相继出版 (而且一年后, 这两部著作都出了平装本 - 这意味着销量都不错)。 其中一本是 Loop Quantum Gravity 阵营的 Lee Smolin 所写的, 书名是《The Trouble with Physics》, 副标题为: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next。 另一本则是哥伦比亚大学数学系助教 Peter Woit 所写的, 书名更不客气, 叫做《Not Even Wrong》(据说这是当年 Pauli 同志评论某个完全不靠谱的理论时所用的评语), 副标题则是: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law - 与 Smolin 的副标题遥相呼应, 前者明示弦论的崛起是物理学的堕落, 后者暗示弦论的完蛋是新生活的开始。

我读了 Smolin 的著作, 在这里评论几句。 我先从 Smolin 本人的背景说起, 一来这是该书内容的一部分, 二来这对于了解他某些观点的由来有些帮助。 Smolin 的学术生涯不是很平坦, 或者说略有些生不逢时。 他是那种具有远大哲学抱负的物理学家, 而那样的哲学抱负自二十世纪中叶之后就已不太吃香。 他曾经的愿望是成为象 Einstein、 Bohr、 Heisenberg 那样具有哲学头脑的科学家。 1976 年当他进入哈佛大学研究生院时, 周围的物理学家中有 Coleman、 Glashow、 Weinberg 等大牛。 但这些人给他的感觉却让他几乎要放弃物理, 因为他们 “一点也不象我心目中的英雄”。 在科学哲学上, Smolin 受 Feyerabend 的影响极深。 Feyerabend 的观点被一些物理学家视为是反科学的, 这个评价或许过于简单化, 不过 Feyerabend 的科学哲学思想在我看来是比较混乱的, 我曾在繁星客栈的 两个贴子 中评论过他的某些观点。 据 Smolin 说, Feyerabend 一直对科学为什么如此有效感到困惑, 而困惑的源泉之中就有我在那 两个贴子 中评论过的那些对科学与非科学进行分界时的含混逻辑与低级错误。

Smolin 所受 Feyerabend 的影响, 使他对被科学界视为另类的学说或人士怀有深深的同情, 他在《The Trouble with Physics》中讲述了好几位被主流科学界所不容的人士闭门造车的故事。 他提出的改革物理学界的要点之一, 就是要对这些人士进行全面支持, 甚至给予优先照顾, 就象风险投资家投资小公司一样。 当然, 这里会产生一个问题, 那就是用何种方法来判断什么样的非主流人士值得 “投资”? Smolin 提出的 “选秀” 方法很 easy going, 那就是让同样非主流的人士来作判断 (“Ask some who already do science this way”), 换句话说, 是让该群体自己给自己打分。 有意思的是, 这种让某一群体自己做选择的做法, 原本是 Smolin 强烈反对的, 唯一的区别是, 当他反对时, 那个群体是支持超弦的, 而在他支持时, 那个群体换成了非主流人士。 Smolin 并且表示, 这种 “投资” 是微不足道的, 因为这样的人士只有 “两打” (二十四人) 左右。 这个数字从何而来, 他没有交代, 但我很怀疑这个数字的可信度。 哪怕将选择的范围限定在曾经获得过博士学位的人群之中, 这样的数字恐怕也是低估, 更不用说按照他的逻辑, 其实根本没有理由将选择范围限定为曾经获得过博士学位 - 因为他早已表示过, 那些人在很大程度上是正规学位程序所不容的。 如果是这样, candidate 的人数应该远远不止 “两打”。

除了来自 Feyerabend 的影响外, Smolin 对非主流研究的支持与他自己的经历显然也有密切关系。 他本人就是一位非主流研究者, 在学术生涯的早期他曾在主流与非主流之间作过一定程度的折衷, 但最终选择了非主流。 他宣称自己坚定地相信量子力学是错的, 为了避免失业, 他暂时抑制了研究量子力学基础的冲动, 但后来还是做了一些自己的东西。 由于这个关系, 他毕业时比其他学生多花了两个月的时间, 才颇有些侥幸地找到了一个职位。 他对这段经历的评价是 “This was not fun”。 Smolin 声称, 在过去二十多年里, 超弦理论不仅对量子引力, 而且对粒子物理研究的职位和经费形成了垄断性的占有, 使得不做超弦理论对年轻人来说形同职业自杀 - 就象他当年做自己的东西一样。 这一描述是否夸大, 我无法确定, 但呼吁改变这种状况无疑是 Smolin 写作《The Trouble with Physics》的动机之一。

《The Trouble with Physics》这部书在总体结构上安排得颇有条理 (不过在局部上有一些累赘和反复的地方)。 Smolin 从描述超弦理论在基础研究中的垄断地位开始引出话题; 随后他列举了五个在他看来理论物理需要解决的大问题, 作为对基础理论的物理成就或潜力进行评判的参照。 接下去他回顾了物理史上追求统一理论的历史, 这在他的叙述中有着双重作用: 一是通过点评历史上的统一理论, 为此类理论的优劣设定标准, 作为批评超弦理论的理论依据; 二是在回顾中指出自十八世纪末以来, 除了超弦理论垄断基础研究的最近三十年外, 物理史上几乎没有哪个十年是未取得重大理论进展的, 以此作为批评超弦理论的历史依据。 这些内容组成了全书的第一部分。 在该书的第二部分中, 他主要讲述了超弦理论的发展历史, 并从技术上对之进行批评。 这部分是后来他与弦论学家论战的主要阵地。 在第三部分中, 他讲述了可能产生新物理的一些实验, 以及超弦阵营之外的一些新理论, 其中包括他自己从事的 Loop Quantum Gravity。 这部分我个人认为写得相当精彩 - 不过, Smolin 对那些新理论的描述是否有 “情人眼里出西施” 的成分, 则需仔细辨认。 最后, 即在第四部分中, 他从社会学和科学哲学角度展开了讨论, 并试图提出解决问题的方法, 这些我在本文前面几段中已经先行介绍了。 在一定程度上, 我认同他的观点, 那就是物理学不能只重主流, 忽视支流。 但他提出的全面支持非主流研究的方案, 在我看来是矫枉过正, 他所提出 “选秀” 手段, 则是双重标准。 而且他对这种支持所涉及的人数极可能作了显著低估。 现实可行的做法至多只能是某种程度的折衷, 而且在折衷过程中外在干预的力度绝不能太大。

毫无疑问, 对于 Smolin 的这部著作来说, 最重要的是评论应该来自于对其技术细节的评论。 在 Smolin 的书出版之后, 弦论学家 Polchinski 应《American Scientist》杂志的邀请对 Smolin 的著作进行了评论。 此后截至本文写作之时, 这两人又进行了一个新回合的交锋。 从这些交锋来看, 虽然 Smolin 曾经有一段时间直接从事过弦论研究, 并且撰写过有关超弦理论的技术评论, 算得上是批评者中对超弦了解较多的人。 但这种了解看来还是不够广泛。 这一点倒也并不意外, 事实上, 外人要对超弦理论了解得足够广泛的确不是一件容易的事情。 Smolin 对超弦理论的技术批评有几个反复强调的火力点, 其中一个是超弦理论不具有背景无关性。 对此, Polchinski 认为是将物理本身的背景无关性与描述物理的数学语言的表观背景相关性混为一谈了。 从两人的讨论来看, 这一条无法对弦论构成真正打击, 因为 Smolin 至多能强调弦论目前在背景无关性方面做得不如 Loop Quantum Gravity 彻底 (Polchinski 并不承认这一点), 而无法将背景无关性与弦论对立起来。 Smolin 的另一个火力点是认为 Maldacena 对偶性只在弱形式 - 即不包括量子效应的情形下 - 存在一定的证据。 对此, Polchinski 不仅作了直接反驳, 而且还直捣其老巢, 特意阅读了 Smolin 及其合作者以前就这一问题发表过的论文, 并揪出了足以颠覆结论的技术错误 (Smolin 在其回复中未对这些技术错误进行辩护, 因此我假定 Polchinski 的论述成立)。 Smolin 的第三个火力点是认为宇宙学常数为正是对弦论学家当时所持观点的沉重打击, 因为弦论曾预言该常数非正。 对此, Polchinski 要求其举出弦论曾预言该常数非正的证据。 而 Smolin 举出的证据居然是弦论中的超对称要求宇宙学常数非正。 此破绽一现, Polchinski 立刻就使出 “独孤九剑” 捅了过去, 因为无论在弦论还是其它物理中, 超对称都是必须破缺的, 如果只是超对称要求宇宙学常数非正, 那根本就谈不上是具有现实意义的预言。 当然, 两人的争论可能还会持续, 作为外人, 我无法预料下一个会合是否会有 surprise。 不过从现有的回合来看, 我的感觉是 Smolin 对弦论的技术批评明显受其在弦论上的知识面所限, 常常将弦论中片面或过时的结果作为批评对象。 另外, 在个别叙述中, Smolin 有时还会混淆论题, 比方说有弦论学家认为研究弦论的价值之一是可以对数学有所贡献, Smolin 在反驳这一观点时, 实际却是在阐述一个逻辑上完全不同的命题, 即对数学发展有价值的理论未必可以描述自然。

在 Smolin 对弦论的批评中, 有一部分批评的是弦论在数学严格性上的欠缺, 这种批评是很难回击的。 但有关这一点, 我在翻译 Carlo Rovelli (Loop Quantum Gravity 阵营的另一位主要人物) 的 量子引力对话录 时曾经评论过。 对于物理理论来说, 这样的要求往往过于苛求, 很少有理论能够招架, 弦论如此, Loop Quantum Gravity 也不例外, 甚至连已经用了几十年的量子场论也是如此。 Polchinski 在回应中也强调了这一点。

不过 Smolin 的批评中有一条似乎触到了弦论的一个软肋, 那就是他指出弦论的微扰有限性 (即微扰展开的各阶均有限) 是一个将片面结果普遍化的以讹传讹的结论。 2002 年, Smolin 在撰写一篇有关弦论的评述文章时发现这一结果的唯一文献依据是 Mandelstam 发表于 1992 年的一篇论文, 但那篇论文给出的并不是普遍证明。 经过多方查证, Smolin 最后认定弦论的微扰有限性是一个以讹传讹的结果。 作为对这一结论的 backup, Smolin 引述了 Mandelstam 本人的信件。 Mandelstam 在信中承认自己证明的只是一类最主要的发散在任意阶都不存在, 而非普遍情形。 虽然从各种迹象来看, 普遍的弦论微扰有限性极可能是成立的, 但有关这一点的数学证明看来并不存在。 Polchinski 对此的回复, 是认为弦论的紫外有限性可以转化为早已被解决了的量子场论的红外有限性。 他并且提到自己做过很多计算, 足以支持这种 “one-line physics proof” 被 “take it seriously”。 Polchinski 的这一回复应该说是比较弱的, 而且它还传递了两条对 Smolin 有利的信息: 一是由于 Polchinski 回避了原先被公认为是证明的 Mandelstam 方法[注一], 这从侧面证实了 Smolin 的批评, 即 Mandelstam 并未如弦论学家们传说的那样证明了弦论的微扰有限性。 二是即便考虑 Polchinski 提到的 “one-line physics proof”, 从他只做过计算验证, 且结论也只是认为其可以被 “take it seriously” 来看, 将之叫做 “证明” 似乎还太沉重。 因此, 我的感觉是 Smolin 的这一条批评很可能是有效的, 弦论的微扰有限性虽极可能成立, 但未必能将之视为已证明的结果[注二]。 弦论学家对超弦的态度常常比外人愿意接受的更为乐观, 在这点上, Smolin 的批评不无道理。 此外, Smolin 对弦论中新近出现的 Anthropic Landscape 提出了猛烈批评, 由于 Anthropic Landscape 目前在弦论内部也处于争议之中, 且这方面的讨论无可避免地要涉及包括科学哲学在内的一些外围评判标准, 我将在今后单独加以介绍及评论。

>> 接下篇

注释

  1. 除非 Polchinski 的 “one-line physics proof” 实际上是对 Mandelstam 证明的转述 - 从语气上看不是。 由于我没有读过 Mandelstam 的证明, 因此暂时将之作为一种可能性注在这里。
  2. 我的旧作 追寻引力的量子理论 也没能摆脱这种说法的影响, 将 “超弦理论的微扰展开逐级有限” 视为已证明的结果。

附录: 本人发表于繁星客栈的两个有关 Feyerabend 的贴子 (引文为 Feyerabend 的观点)

Re: 对占星术的批判与反批判

几乎任何稍微重要的理论都存在着与理论相冲突的实验结果。 在这一方面, 占星术与那些受到高度尊敬的科学研究纲领并无二致。

Feyerabend (费耶阿本德) 所忽略的是: 两个纲领的区分并不在于它们的正确与否 (世界上根本没有绝对正确的纲领, 拿大家都不可能绝对正确这一事实来混淆不同纲领的差别是 常见的错误做法), 而更多地在于它们的 对待理论与实验之间冲突的态度

一个科学理论必须诚实地列出在自己的预言范围内有哪些实验结果与理论不符, 如果哪位科学家或科学作为整体有意隐瞒或回避理论与实验不符的地方, 那就违背了它所自称的科学精神, 应当受到谴责。

反过来, 如果占星师在自己的顾客面前能够诚实地罗列出自己此前所有占星结果中哪些预测是错误的, 那它就起码在这点上符合科学精神。

不同的纲领在这一点上的差别才是他们最为实质的差别。 其它的不过是起点或现状的高低之别。 熟悉占星术的人不妨对比一下多数科学家和多数占星师分别是如何对待自己预言与实验的差别的。

二零零七年三月七日写于纽约

Re: 对占星术的批判与反批判

顶楼文章没有引用那些科学家的原文, 我无从知晓那些科学家是真的把 “存在与具体断言相反的事实” 作为了批评占星术的主要逻辑依据, 还是 Feyerabend 拿住了对方的一句并未起逻辑支柱作用的普通陈述来做文章。 如果科学家们真的以 “存在着与具体断言相反的事实” 作为反对占星术的主要逻辑依据, 那他们的批评的确是低水平的, 不仅在逻辑上非常薄弱 (这一点正如 Feyerabend 所指出), 没有击中要害, 而且还无形中抬高了占星术, 因为对后者来说, “与具体断言相反的事实” 仅仅用 “存在” 来表述实在是太过委婉了。

但 Feyerabend 作为一位知名的科学哲学家, 在反驳他人观点时写下诸如 “占星术并非没有发展, 在天文学做出新发现, 如发现海王星和冥王星之后, 占星术也相应地进行了调整以吸收新的成果” 这样的话未免太小儿科了。 这就好比有人说 “我这两天累得完全走不动路了”, 而别人却反驳说 “不对, 刚才我看到你走了一步路”。

占星术是与科学差不多古老的东西, 在很遥远的过去水平也曾经是差不多的, 但今天它们相距遥远。 它们过去那么多年的历史是一面极好的镜子, 照出了科学与非科学之间最本质的差别。

二零零七年三月七日写于纽约

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