弦论的认识论（The Epistemology of String Theory）

作者：菲利普*利普*克罗马尔（Philip Flip Kromer，2005）J. Leon PHL 329U

译者：郑 中（Geongs Zhern，2011.1.2；http://www.sciencenet.cn/u/warlong）

悠久的科学研究史围绕惊奇的物理现象已建立了一座科学思想大厦。我们能解释银河系演化和物种演化，我们能描述行星和遍布宇宙的恒星之间的相互作用，并且我们能描述原子秘境内的夸克和电子之间的相互作用。这些理论作为真理已被接受，因为它们始终自洽，并已被实验广泛证实。

弦论的构架是为了统一并解释广义相对论和量子场论，但现在不能、可能永不能进行直接可行的实验检测。然而，该理论的一些支持者作出惊人的声明：弦论的明晰、统一而自足表达已被发现，可以作为真理接受。它们认为，明晰性、优雅性、唯一性和自足性（这些术语的准确含义，下文作解释）不是巧合特征，而是显示理论真实性的标志。史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）写道：他相信这种特殊时代将被记作一个英雄时代，在那个时代理论家暂时从它们的实验基础解脱出来，并试图而且成功地通过纯理论推理而建立一种关于自然全部现象的统一论（温伯格，《优雅的宇宙》）。

科学哲学（Philosophy of Science）

关于我们怎样确定真实的古老争论，这标志着科学认识论领域出现一种新前缘。一般而言，科学认识论既不是理性主义者（知识是通过原因和反思获得的）也不是经验主义者（知识是通过观察和实验获得的）。弦论支持者看来属于理性学派，以明晰主义（Coherentism，或译为贯融主义）著称，他们认为我们关于宇宙的理论因其自洽而证明---通过对我们全部知识网的综合集成。对于明晰主义者（Coherentist），理念不能通过还原为基础原子而得证，它们不能被实验观测的问题均值而得证。它们可通过我们知识的总体而得证。而且我们知道，更强有力的约束框架内，我们的知识不太可能是有缺陷的。

另一方面，经验主义者要求“一致性”：与实验或观察的一致性1。他们将自然测量放于基础而首要的位置，并认为我们的宇宙理论有牢固的实验基础。对于经验主义者，实验产生真理的最终而唯一的检验：

“我们将对自然的计算结果与用实验或经验相比较，直接与观察作对比，看是否它工作。如果与实验不符则是错误的。那简单的语句是科学的关键。无论你的推测多么优雅，这没啥区别... 若与实验不符，它就是错的，事情就这样。”[费曼，《物理定律的特征》150]

有几种方法简述经验主义者对于弦论的异议。但首先让我们看看弦论支持者怎样证明其信仰的最终成功。

命题：自然是数学性的（Thesis: Nature is Mathematical）

除了与实验保持连贯一致性外，科学家已注意到成功的物理理论都发现有几种惊人的特性。成功的理论是“优雅的”---数学的优雅吸引科学家；是“卓有成效的”---完全扩展出它们构想的领域；是“统一的”---对理论的小挑战破坏了自洽性或与实验的一致性。

这些特征不是每个是必需的。数学家发展其理念仅仅根据它们看起来是否“优雅”或“有趣”，而没涉及有效性或与自然的一致性。“没选择数学概念，因为其简单性…但这是聪明的操作而引人注意，辉煌的论点。”[魏格纳，“非理性的有效性”]但是这些概念一贯地用来描述宇宙定律。而且，根据他们概念优雅性而创建的科学理念是非常成功的。爱因斯坦曾用两个基本原理（相对性原理和等价原理）创建了他的广义相对论，并且据此演绎了一种一致的物理框架，然而他发现不仅可以解释牛顿力学，而且涌现全部隐藏的物理解释。  

成功的理论常被发现用到基本领域之外。当你进行牛顿猜测---天体与地球之间的吸引力相同于类地行星天体与地球之间的---为了其逻辑结论，不仅能预测行星的椭圆轨道，而且能预测所有天体的形状和轨道。这也暗示光速有限（Roemer结论）和其他行星（海王星的发现）的存在2。这种“非理性的有效性”可能不是一致的---这揭示宇宙深层是数学性的。

成功的科学理论是统一的（Successful Scientific Theories are Unique）

高深的科学理论的另外一种惊人特征是理论统一性：

改变理论分支而迅速变得不稳定。温伯格写道：“容易提出改变多数物理分支的方法看法…明显的是，迄今为止还不可能发现如量子力学那样逻辑自洽的理论，除了量子力学以外…我仅仅不知道如何通过小量而不出事的方式改变量子力学。这种理论不能发现量子力学的可能替代理论…暗示我，量子力学是方式，一种因为任何内在小变化导致逻辑荒谬。”（温伯格，DFT 89-93）

这并不意味着不存在其它理论，但意味着一致性和可预测理论是难以建立的：“看来对于我来说，我们最好的希望是证明终极理论是一种严格得不可扭曲成无逻辑悖谬的某种微差理论。”（[DFT 17）这也导致弦论的进一步惊人特征：其支持者认为它最终可表述为一种自洽理论---无任何可调参数。

“在我看来，我顺着这种思路的最佳希望是显示终极理论，虽然逻辑上不是必然的，而是独立的。也就是，结果可能是，虽然我们总能料想到其它理论，完全不同于真正的终极理论的…，我们发现终极理论是如此严格，以至无法作少量修改，理论不导致逻辑悖谬。在逻辑上独立的理论，每个自然常数可从第一 推算出；任何常数值的变化可破坏理论自洽性。”（DFT 249）

广义相对论认为局域引力场决定局域曲率，这自然产生牛顿力学的负平方定律。牛顿不能解释力为何以1/r² 减少，而不是比如1/r^2.0001。广义相对论中，这个事实变为必然正确的：指数不能被改变，哪怕稍微改变。正如爱因斯坦所说，他理论的主要吸引力在于其逻辑完备性；…为了修改它而不破坏整体结构，这好像是不可能的（DFT 142）。与此类似，弦论紧紧地约束了一整套物理参数，并可自然地解释许多一致性（如标准模型的“产生”）。正如广义相对论几何学确定1/r²指数，弦论学家希望最终获得一种框架，在其拓扑性中限定万物，从普朗克常数到六种夸克存在的原因。

弦论支持者认为这种理论不仅优雅、自洽，而且也自足3，被紧紧地约束，理论上统一的，而且一定是确定的。

反对：理论可以是自洽而错误的（A Theory can be Consistent and Wrong）

经验主义者反对，指出一种知识体系可以是自洽、含糊而错误的：

“何为科学存在的必要性？自然特征是什么？不可被自负的预测所确定，通过我们的研究，它们总被物质自然地确定。我们看看，看到我们发现的，我们不能成功地预测将看到什么。最合理的可能通常变不成位置。”（费曼，CoPL 141-142）

弦论作为一个理论的失败，在于它甚至不能显而易见地受到检验：

“无任何实验能检验距离上如何运动，无任何观测与这些微小距离或高能量有关。我们所做的是遥远的结果，10或20数量级远离这些影响。”（Glashow, EU）

根据经验主义者，符合实验才是真理的标准，否则弦论不能声称自己正确4。

回应：弦论明晰而且一致（String Theory Coheres and Corresponds)

但是，弦论大量符合实验检测。因为成功的弦论必然包容标准模型和广义相对论，很多仔细的检测用来证明这些理论也符合弦论的。而且，看来符合标准模型理论的实验事实也被弦论解释。如，黑洞熵理论是广义相对论作特别假设获得的，但在弦论中是一个自然结果（贝肯斯坦）。

反对：可证伪的预测是科学真理的检验（Falsifiable Predictions are the Test of Scientific Truth）

这导致很多经验主义者拒绝弦论：如果说不出任何新事物，它要么是正确的，要么是错误的，但实际上根本不属于科学。

“弦论学家持有的理论看来自洽而十分优雅，很复杂，但我不理解他。它给出一种引力量子论，看起来是自洽的，但不能作任何预测。也就是说，无任何实验能进行，或者没有任何观测来检验它说‘你这伙计是错误的’。理论是正确而且永远正确的。我问你，那是一个物理学理论还是哲学了？”（格拉斯修Glashow，美国）

“弦论和弦论学家有一个真正的问题。你如何检验弦论了？如果你们不能用我们检验正常理论的方式检验它，那么它就不是科学，它是哲学，而且那是一个真正的问题。我们现在难以理解弦论，使得难以进行详细的科学预测，我们仍不能理解用弦论如何作。”（Lykken, EU）

“最后，如果弦论不能用一种可检验的预测提供给我们，不管它是基本粒子物理学，还是宇宙学、黑洞物理学的内容---而无人相信它。”（Gates, EU）

这正符合卡尔*波普（Karl Popper）的哲学：一种理论应被认为是科学的，而且仅当可证伪的（falsifiable）。对于经验主义者，观察积累具有首要的认识论意义，不能与实验、观测建立联系的理论，位于我们不能判断其真实与错误。

回应：弦论自洽性给出一种基础

但是，实验和观察是深刻的问题过程。科学哲学是各方面矛盾的，其中我们的感觉能导致不一致性和不可靠性信息。

而且，量子机制---我们（在实验上证实的而且理论上一致的）对宇宙的理解---表明实验必然是物理过程。我们的理性构架对于理解观察或测量是必要的。我们如何承认观察的首要认识论意义，当我们需要理论来理解观测自身过程时？

当温伯格可能不愿意把弦论称为一种自足的“逻辑必然的”，只是“逻辑独立的”，或许我们不应如此怕羞。正如爱因斯坦所说，可能“自然如此被构建，逻辑上可能存在如此强确定性的定律，在这些定律内，只发生理性而完全确定的常数（因此，可改变非常数的值而不破坏理论）”（爱因斯坦，阿尔伯特*爱因斯坦哲学科学家63）。如果弦论能用无约束常数解释自然定律---如果揭露一种强约束而自洽的视野---宇宙如何以一种完全自足行为运行，那么我们感觉这种框架还是蛮不错的。

反对：多重理论的可能性（Possibility of Multiple Theories）

重要的是注意到，虽然粒子物理学家可能不同意什么使得理念真实，他们不约而同的认可实在论，其信条是科学真理反映了一种独立的潜在。史蒂芬*霍金（Steven Hawking）的名言“如果我们发现一种完善的理论，那一定是人类理性的最终胜利！---因为我们才能知道上帝的心思。”（霍金，时间简史191）。温伯格明确地认为他自己“抓住了哲学史学家能所称‘真实’位置---…抽象观念的实在性所认为的。”（DFT 48）其它屡次提及的自然“织锦”、“蓝图”或“设计”（如费曼，CoPL 28）。“终极万有理论”的全部概念包含了人类心智所揭示的一种独立的、必然的宇宙结构。

但是，来自反实在论者阵营的哲学家增加了不完全决定（Underdetermination）的异议---“存在无限多种不同配置来拟合任何物理数据库。”理论独特性（Theoretical Uniqueness）认为没有任何理论如我们所认为的理论那样明晰，但不能排除它是一种等价而可行的、且相当明晰的理论。实际上，他们指出这种情况已发生过---如，广义相对论代替牛顿引力。

回应：不必奇怪（No Miracles）

但是，数学上优雅的理论的惊人成功，甚至超出它们基本领域之外，这表明理论不是主观构造的。“科学实在主义者声称，科学的成功，尤其是对新现象的预言，不得不被视为一个奇迹，科学陈述至少大体是真实的…这是‘不必奇怪’的论据。如果，有几个符合我们已知事物的正确理论，我们怎样挑选出正确的那个（理论完全超出所建立的基础事实范围），来解释隐藏的未知结果？因为存在一种独立的实在，而我们的心智能解释并解释它。

重要的是指出，虽然两个理论（弦论和标准模型）可解释同一现象，这证明了它们的有效性，作为一种理论明晰地包括其它。

“这里标准模型坚固的。这是完全数学化的理论---多重联系而且高度稳定的体系。可证明的是一堆更大的体系，但不是错误的。没有任何理论部分失效，而整个结构没有倒塌。如果理论是错的，很多成功的检测则是偶然的。该理论将继续描述低能态的强、弱和电磁相互作用。”（凯恩，“超越标准模型物理学的Dawn”）

一个类比

想象我们玩一种拼图玩具。经很多思考和仔细搜寻后，我们已将两大部分拼合一起，一个描绘量子力学，一个描述引力。他们彼此一致：它们以一种满意而完美的方式而完全内在整合一起。而且，我们将这种拼图放入箱内，外面贴上一张组合之谜的图案。大部分符合，我们能用箱前的图案说出每一方面。

但是我们的谜题的两大重要部分彼此根本不配合，明显存在不少其它玩具，需要将其整合一起。甚至更为不安的是，我们已掩盖了显示于箱前的大部分解决方法---我们可能证实到处存在一种空隙片，这显示出全部玩具将超出我们能对比的范围。

现在，如果我们能用合适的构造拼合起来，不仅符合先存部分，而且完全伸出边缘。这种额外构造具有良好的边缘---没有任何外在背景的自明形式（self-justifying form）是需要的，甚至是可能的。只要这种构造是适当的，其内部的万物位置是完全可确定的，在某种意义上说，碎片无需经次要修整是可能的。我们不能保证我们能否卸下并重组庞大的部分，我们还没发现其它解决方法---但除了如此主要重构碎片外，别无出路。

在这种情况下，我们能证明了---甚至无需采用解的全图—也就是说我们已完成了拼图?