誰不喜歡美好的想法的呢？物理學(xué)家亦然。在物理學(xué)基礎(chǔ)上，偏好更符合審美的假設(shè)已經(jīng)成為默認(rèn)的實(shí)踐方法。物理學(xué)家也知道他們的偏好不太重要，畢竟，假設(shè)必須經(jīng)過檢驗(yàn)。但他們大部分的美妙的想法很難或者不可能加以檢驗(yàn)。而且，即使實(shí)驗(yàn)上最后空手而歸，物理學(xué)家也可以改口沓舌，以應(yīng)實(shí)驗(yàn)。
如此已近40年。40年來，美學(xué)追求在各式研究項(xiàng)目中蓬勃發(fā)展——比如超對稱理論、多重宇宙和大一統(tǒng)理論——成千上萬的科學(xué)家投身其中。40年來，為此整個社會耗費(fèi)了數(shù)十億美元，卻沒有找到這些美妙想法的證據(jù)。以及，在這40年里，物理學(xué)基礎(chǔ)上再也沒有一個重大突破。
我的同事認(rèn)為：美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是基于經(jīng)驗(yàn)的。我們?nèi)缃袷褂玫淖罨镜睦碚摗Ｗ訕?biāo)準(zhǔn)模型和愛因斯坦的廣義相對論——是美妙的，從特定角度來說。我同意、愿意去嘗試相信，越是基本的理論同樣也更美。但是，仔細(xì)想想，我們試過了，而且失敗了。然而物理學(xué)家死性不改，選擇理論的時候依然堅持流傳下來的三條美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)：簡潔、自然和優(yōu)雅。
我這里說的“簡潔”不是指“奧卡姆剃刀”，它說的是：如果兩中理論給出的內(nèi)容是一樣的，那你應(yīng)該選擇更簡單的那個。不是，我是說絕對簡潔：一個理論應(yīng)當(dāng)簡單、與時俱進(jìn)。如果理論不簡單，不夠滿足我的同事們的口味，他們會試著改得簡單些———通過統(tǒng)一幾種力啊，或者假設(shè)有新的對稱性給粒子排序。
第二個標(biāo)準(zhǔn)是自然。自然是一種努力排除人工元素的嘗試，它要求一個理論不應(yīng)當(dāng)使用似乎是人工選擇的假設(shè)。此標(biāo)準(zhǔn)常用于一些無量綱常數(shù)上，比如一些基本粒子的質(zhì)量比。自然要求這些數(shù)等于或接近一，若卻非如此，理論便要解釋為什么會這樣。
接著說優(yōu)雅，第三條也是最難以捉摸的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。它常常被描述為一種簡潔和“頓悟”的結(jié)合體，兩者一起揭示了某些新的關(guān)聯(lián)。在“啊哈效應(yīng)”(阿基米德的尤里卡時刻)中我們體會到了優(yōu)雅，一個靈光乍現(xiàn)、塵埃落定的瞬間。
目前科學(xué)家在判斷一個理論前景的時候仍然使用這三條標(biāo)準(zhǔn)。這指引這他們作出預(yù)測，例如，質(zhì)子會衰變。搜尋實(shí)驗(yàn)從1980年代開始，但至今沒人觀察到質(zhì)子衰變。理論學(xué)家也預(yù)測了我們應(yīng)當(dāng)能探測到暗物質(zhì)粒子，比如軸子或是弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)。我們已經(jīng)委托進(jìn)行了數(shù)十項(xiàng)實(shí)驗(yàn), 但還沒有發(fā)現(xiàn)任何一個假設(shè)性的粒子——至少目前如此。對稱與自然兩個標(biāo)準(zhǔn)的加持下，物理學(xué)家相信大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)應(yīng)該能撞出希格斯玻色子之外的新的東西，像是“超對稱”粒子或空間額外維度。但一無所獲，目前如此。
你可以把這套標(biāo)準(zhǔn)推到多遠(yuǎn)呢，在它到達(dá)荒謬的邊界之前。好比，如果你把一個理論不斷地化簡啊化簡，它最終會毫無預(yù)測能力，因?yàn)槔碚摬辉儆凶銐虻男畔?，連計算也無法進(jìn)行下去。這樣其實(shí)你有得到了理論學(xué)家口中的“多重宇宙”——一個包含著擁有不同自然法則的宇宙的無窮集合。
譬如，你在使用引力定律的時候不去通過實(shí)驗(yàn)固定牛頓常數(shù)的值，那就可以聲稱你的理論包括了引力常數(shù)為任何值的宇宙。當(dāng)然，你最后還是要假設(shè)我們生活在其中一個值為我們碰巧測出來為牛頓常數(shù)的宇宙中。所以到頭來你好像也沒從這個理論里面多獲得什么。除了，理論學(xué)家可以發(fā)表那些關(guān)于許許多多新宇宙的論文。讓人安心的是，其它宇宙是不可觀測的，因此多重宇宙理論們妥妥地不會接受實(shí)驗(yàn)的檢測。
我覺得我們是時候從科學(xué)史中找點(diǎn)教訓(xùn)。美學(xué)指導(dǎo)理論的觀點(diǎn)也沒有什么好的歷史記錄。許多優(yōu)美的假設(shè)還是錯了，比如開普勒曾認(rèn)為行星軌道是由被稱為“柏拉圖實(shí)體”的畢達(dá)哥拉斯正多面體堆疊而成，比如原子其實(shí)是看不見的以太中的一個結(jié)，又比如宇宙是“穩(wěn)態(tài)”的而不是膨脹的。
同時有些理論當(dāng)時看著很丑陋卻經(jīng)受住了時間的考驗(yàn)。當(dāng)開普勒提出行星按橢圓軌道運(yùn)行而不是圓形，同時代人覺得太丑了, 不可能是真的。物理學(xué)家麥克斯韋對他自己的電磁場理論也動搖過，因?yàn)楸藭r的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是齒輪和螺絲構(gòu)建的世界。狄拉克也斥責(zé)后來發(fā)展的麥克斯韋理論太丑了(應(yīng)該指量子場論，譯注)，因?yàn)樗鼱砍兜綇?fù)雜的數(shù)學(xué)技巧用以消除無窮大。然而，那些被認(rèn)為丑陋的想法是正確的。它們活到了今天。我們用著它，也不覺著丑了。
歷史還有第二個教訓(xùn)。即使對許多物理學(xué)家來說, 美可以作為一個強(qiáng)大的個人驅(qū)動力, 但那些引出突破的問題不僅出于審美疑慮——而是數(shù)學(xué)矛盾。愛因斯坦，舉例而言，拋棄絕對時間的是因?yàn)樗c麥克斯韋電磁理論矛盾，從而創(chuàng)建了狹義相對論。他接著著手解決狹義相對論和牛頓引力定律的沖突，這帶來了廣義相對論。狄拉克后來去除了狹義相對論和量子力學(xué)之間的矛盾，導(dǎo)致發(fā)展了我們今天仍在使用的量子場論。
希格斯玻色子也一樣是來自邏輯一致性的要求。希格斯玻色子于2012在LHC被發(fā)現(xiàn)，是補(bǔ)缺標(biāo)準(zhǔn)粒子模型必不可少的。沒有它的話，粒子物理學(xué)家的計算中會有大于1的概率，數(shù)學(xué)的無意義結(jié)果不可能描述現(xiàn)實(shí)。不錯, 數(shù)學(xué)并沒有告訴我們一定是希格斯玻色子, 也可能是別的什么東西。但我們知道, 甚至在LHC建成之前就知道, 在那兒肯定有一些新鮮的東西。這是建立在堅實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的推理。
超對稱粒子，相反的，優(yōu)美卻不必要。它們的引入是為了修補(bǔ)當(dāng)前理論美學(xué)上的短板，不夠自然。一個不超對稱的理論在數(shù)學(xué)上沒什么錯誤，它只是不夠漂亮。粒子物理學(xué)家使用超對稱來彌補(bǔ)這種體現(xiàn)出來的不足, 從而使理論更加美麗。如此,能在LHC上看到超對稱粒子的預(yù)測是建立在主觀希望而不是合理邏輯上的。而這些粒子還沒有被發(fā)現(xiàn)。
絮絮叨叨這么久，我的結(jié)論是：當(dāng)物理學(xué)試圖去完善美中不足的時候，我們可能把時間浪費(fèi)在了無關(guān)緊要的問題上。物理學(xué)家們需要重新思考他們的工作方法，立刻現(xiàn)在——在我們開始討論世界需不需要下一個更大的粒子對撞機(jī)或者開展新一輪暗物質(zhì)搜尋之前。
事情不會都向我們期待的方向發(fā)展。新理論應(yīng)該解決現(xiàn)有問題的想法原則上沒錯——只不過，當(dāng)前，問題本身都沒有清晰的表述，各種標(biāo)準(zhǔn)便無從下手。在物理學(xué)根本上，推理的概念和哲學(xué)基礎(chǔ)就是薄弱的，而這必須得到改善。
要求大自然屈服于我們的美學(xué)理想是徒勞的也不是科學(xué)之舉。不如讓證據(jù)先行指引新的自然法則，美就在遠(yuǎn)方等著我們。
