质疑:物理学的基础理论停滞不前了吗?-集智俱乐部

问题似乎出在理论物理学家大量的错误预测上 | 图片来源:Nautil

导语

如今我们对基础物理学的投资比以往任何时候都多,但基础物理却陷入缺乏进展的漫长阶段。物理学界应该自我反省,理论物理学家应该停止尝试解决伪问题。

编译:集智俱乐部翻译组

来源:Nautil

原题:

The Present Phase of Stagnation in the Foundations of Physics Is Not Normal

物理学的基础似乎停滞不前了。一次又一次的实验得到的都是零结果(null results):没有发现任何新的粒子,新的维度,或者新的对称性。当然,某些数据存在异常之处,也许其中的某个会成为大新闻,但是实验物理学家只能在黑暗中摸索。他们不知道新的物理学发现会出现在哪里,且从事理论工作的同事们的进展对实验物理学也没有任何帮助。

物理学界需要自我反省

有些人觉得这是一场危机,但是我并不认为“危机”这个词能很好地描述当前的形势:“危机”是相当乐观的一个词。这给人一种错觉,好像理论物理学家意识到了其方法错误,改变即将发生,他们正在觉醒并将抛弃这些有缺陷的方法。但是我没有见到任何觉醒。物理学界完全没有任何自我反省,完全没有,他们只是在继续做40年来一直在做的事情,喋喋不休地讨论自然性(naturalness)和多重宇宙(multiverses),并且再次将他们的“预测”转移到下一个更大的粒子对撞机。

题目:

Crisis At The Foundations Of Physics

地址:

https://www.edge.org/response-detail/23857

我认为“停滞”(stagnation)这个词可以更好地描述现在的情况。更明确一点,基础物理学停滞的问题并不在于实验,而在于理论物理学大量错误的预测。

问题也不在于缺乏数据。研究者有丰富的数据。但是所有这些数据都可以被现有的粒子物理学标准模型与和谐宇宙模型(the cosmological concordance model)很好地解释。不过,我们知道问题并没有被解决,现有的理论是不完善的。

之所以说现有理论不完善有两个原因。首先,我们知道暗物质只是个临时命名,用来描述某种我们无法理解东西(暗物质就像是个空格,等着某种我们还不理解的东西来填充)。其次,粒子物理学的数学公式和引力公式并不兼容。早在20世纪30年代,物理学家就已经知道这两个问题了,直到70年代,他们取得了重大进展。但是自此以后,物理学的基础理论发展就停滞了。如果实验中发现了什么新东西,那将是因为忽略了成千上万错误的理论预测,而非因为这些理论预测的指引。

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1992-2012年 arxiv.org 上各网站论文提交分布,左图为各学科分类下论文提交的数量对比,右图为百分比。其中蓝色是高能物理学,

投资渐增,却进展缓慢

成千上万的错误预测听起来有点惊人,但实际上这是一个被低估的数量。我只是将对超出标准模型——大型强子对撞机(Large Hadron Colider, LHC)理应支持的理论——的物理学的预测加了起来:所有在多边形中的额外维度,对称群(pretty symmetry groups),以及名称奇特的新粒子。你可以通过统计论文数量,或者在该领域工作的人数和他们的平均产出来估计这些预测的数量。

他们都错了。即使大型强子对撞机在即将得到的数据中或许能发现某些新的东西,我们已经知道,理论物理学家的猜想并不成立。一个都不成立。他们还需要多少证据来证实其使用方法并没有什么用呢?

质疑:物理学的基础理论停滞不前了吗?-集智俱乐部位于瑞士与法国边界地下的大型强子对撞机

这一缺乏进展的漫长阶段是前所未有的。没错,从古希腊哲学家德谟克利特首次提出原子的猜想,到它们真正被探测到,花了大约两千年时间。然而,这是因为在这两千年时间里,人们除了思考物质的基本结构之外,还有许多其他事情要做,比如建造更加牢固的房屋。因此,比较年份多少是没有意义的。我们更应该关注物理学家实际的工作时间。

对此我也可以列出一些数据。

根据美国物理学会和德国物理学会的会员数据,在1900年到2000年间,物理学家的总数增加了大约100倍。这些物理学家绝大多数都不从事基础物理学的工作,但就出版活动而言,物理学的各个子领域都以大致相当的速度增长。而且,(撇开第二次世界大战前后的变动)出版物的数量和作者的数量基本上都呈指数性增加。

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1992-2012年 arxiv.org 上各网站论文提交分布,左图为各学科分类下论文提交的数量对比,右图为百分比。其中深蓝色是高能物理学(hep-*),而浅蓝色是其他物理学(包括普通物理学、广义相对论、量子宇宙学、非线性科学、核物理、量子物理等),实际上在从事相对论和量子理论等基础物理学的研究者,人数和成果都相当有限。图片来源:arxiv.org 的数据统计:https://arxiv.org/help/stats/2012_by_area/index

为了简单起见,让我们假设今天物理学家每周工作的时间和100年前的物理学家一样长——考虑到增长是指数级的,细节并不重要。我们来做个比较,现在物理学界多长时间的工作量能相当于100年前40年的工作量?来猜猜看。

答案是:14个月。只根据工作时间来计算,现在的物理学家应该只需要工作14个月的时间,就能完成一个世纪前要花40年才能完成的工作。

当然,你可以质疑这种“进步”不能如此简单地进行扩大,因为尽管大家都在谈论集体智慧,但研究仍然是由个人完成的。这意味着,仅仅雇佣更多的人,总研究时间并不会减少。个人也需要时间来交流和理解彼此的见解。另一方面,我们已经大大提高了信息传输的速度和便利性,现在还利用计算机帮助思考。无论如何,如果你想争辩说雇佣更多的人并不能有助于进步,那为什么还要雇佣他们呢?

所以,我只是粗略估计,但它解释了为什么许多人不知道目前这种前所未有的停滞现状。今天我们对基础物理学的投资比以往任何时候都多,但没有从中产出任何东西。这是个问题,而且是一个我们应该谈论的问题。

质疑:“少抱怨,多提建设性意见?”

最近有人跟我说,利用机器学习来分析大型强子对撞机的数据标志着物理学界正在反思。但事实并非如此。首先,粒子物理学家运用机器学习工具来分析数据已经有至少30年时间。他们现在用得更多,因为它更容易用了,因为所有人都在用,因为《自然-新闻》对此作了报道。所以说,不是这样的,在粒子物理学中使用机器学习并不意味着反思。

另一个我必须经常忍受的评论是:你只是在抱怨,但对物理学家应该做什么,并没有任何更好的建议。

首先,这是一个愚蠢的批评,它让你更关注批评者而不是被批评者。假设我不是在批评一群物理学家,而是一群建筑师。如果我告诉大家,这些建筑师花了40年时间建造房屋,但所有房屋都倒塌了。那么,为什么是我来负责想出更好的房屋建造方法呢?

其次,这一批评是错的。我已经多次非常清楚地指出,理论物理学家应该做出什么改变,他们应该停止尝试解决那些伪问题。一个理论不漂亮并不是问题。专注于数学上定义明确的问题,这才 是我所说的理论物理学家应该做的研究。而且,最好不要再因为科学家做流行的工作而奖励他们了。

我的这一建议并非没有根据。如果你审视物理学的历史,你会发现这门学科致力于解决能够带来突破的数学难题。如果你了解过针对科学界的社会学研究,你会发现糟糕的激励手段会导致严重的低效率;如果你再了解过心理学,你就知道没有人喜欢改变。

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作者 Sabine Hossenfelder 是法兰克福高等研究院地研究员,从事非标准模型物理学、量子引力现象和广义相对论修正的研究工作。

发展新的方法论比发现数十种新粒子难得多,这也是当前的理论物理学者不喜欢听批评的原因。任何改变都会减少论文产出,而他们不希望这样。这种阻力并不是来自制度压力,而是科学家自己不愿意挪动他们的屁股,改变研究方式。

如果你问,这还要持续多久?理论物理学家们还要编造多久的理论?

我觉得,恐怕没有什么能够阻止他们。理论物理学家们互相评审论文,互相评审基金申请,并且不断告诉彼此做的是好的科学。互相激励感觉良好,为什么要停下来?对他们来说,一切都很顺利——举办会议,发表论文,讨论伟大的新想法。一切如常,只是没什么有价值的结果产生出来而已。

你可以忽视这个问题,但问题并不会自行消失。

翻译:NeverMoes

审校:公孙龙马

编辑:王怡蔺

原文:

http://nautil.us/blog/the-present-phase-of-stagnation-in-the-foundations-of-physics-is-not-normal

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原文始发于微信公众号( 集智俱乐部 ):集智