在物理学中，实验是检验真理的唯一标准吗？

为统一广义相对论和量子力学而建立的弦理论更接近于“一个通用的数学框架”，而不是一个可以被证明或证伪的理论。

几十年前，最有影响力的科学哲学家之一卡尔·波普尔(Karl Popper)就陈述了一个结论:广义相对论是可靠的科学，而弗洛伊德的精神分析是伪科学。波普尔对如何划分科学与非科学的界限，尤其是科学与伪科学的界限有着浓厚的兴趣。他把这个问题称为“划界问题”。经过长时间的痛苦思考，波普尔提出了一个区分“科学”和“非科学”的简单标准:可证伪性。也就是说，如果一个想法可以——至少在原则上——被证明是错误的，那么我们可以说它是科学的，即使它最终被发现是真正错误的。

1919日全食在全世界的见证下证明了爱因斯坦理论的正确性，也深深影响了波普尔。他认为爱因斯坦的理论是“好科学”的典范。以下摘自他的著作《猜想与反驳》(1963)。他以爱因斯坦的广义相对论和弗洛伊德、阿德勒的理论为例，说明了科学和伪科学的区别:

我们可以清楚地看到，爱因斯坦的理论符合可证伪性的标准。即使我们现有的测量手段不能让我们确定它的结论是对是错，至少它的结论可能是否定的。

弗洛伊德和阿德勒的精神分析理论是不同的:它们无法被检验或证伪——任何可以想象的人类行为都无法反驳它们，证明它们是错误的。我个人不否认他们的一些理论可能很重要，也不否认这些理论有一天可能在心理学的实验科学中发挥一些作用。但这并不止于此。我不认为这些分析师在“临床观察”的基础上得出的理论能比占星家每天得出的结论更好。

但是后来发现，波普尔推崇的1919年的日全食实验，很可能并没有他想象的那么无懈可击。有学者在回顾漫长的历史，探究当时的细节时，发现爱因斯坦理论的早期构想其实存在一个计算错误——这个计算错误使得光线被大质量物体(如太阳)弯曲的理论所预言的角度是真实值的两倍，而科学家在日全食中测得并被引用作为理论证明依据的物理量就是光线的曲率。所以，如果日全食实验是在1914年进行的(原计划在这一年进行，但因一战而推迟)，爱因斯坦当时的理论就被证明是错误的。而且，在爱因斯坦修正了计算错误，提出了广义相对论的最终版本之后，1919年的日全食实验，其实包含了相当大的误差。为了得到最理想的实验数据，当时主持实验的首席天文学家之一亚瑟·亚瑟·爱丁顿爵士(Arthur Eddington)很可能对收集到的实验结果进行了人工筛选。这个故事告诉我们，科学和生命一样复杂，完美的“干净结果”很难得到。

关于波普尔的理论我们就此打住，但读者不禁要问，无论波普尔有多有名，他提出这个理论都是在上个世纪初的事了，那么为什么他的理论直到今天还能引起如此大的关注呢？这就不得不提另一个概念:弦理论。这个名词你可能不陌生。近几十年来，基础物理学家一直围绕着“弦理论”打转，并将其视为解释自然界所有物质及其相互作用的终极理论——也就是史蒂芬·温伯格口中的“万有理论”的候选。显然，“万有理论”这个词不能从字面上理解，严格来说，“弦理论”甚至不能算“理论”——如果我们把“理论”这个词定义为一个成熟的概念体系，比如进化论、大陆漂移说。实际上，目前弦理论更接近于“一个一般的数学框架”，而不是一个理论，这是我们所拥有的、已知的、数学上最复杂的框架，其目的是解决现代物理学的根本问题:如何统一广义相对论和量子力学。广义相对论和量子力学都是非常成功的科学理论，但是当它们在一定条件下解决一些物理问题时，比如黑洞或者奇点(BIGBANG之前的宇宙起源)，它们之间就会产生尖锐的冲突。

物理学家已经得出结论，既然广义相对论和量子力学之间存在不可调和的矛盾，那么其中至少有一个肯定是错误的或者不完美的。他们找到的解决方案之一是弦理论:它将两者置于一个更大的理论框架下(见上图)。

这是一个美好的想法，但只有一个问题:一些基础物理学家发誓弦理论不仅是一个有前途的科学理论，甚至是唯一的真理；其他科学家对此嗤之以鼻。他们认为“弦理论”根本不是一门科学。他们的论据也非常充分:弦理论与任何实验证据都没有共同点——无论是振动超弦、折叠多维时空还是理论的其他部分——所有这些都无法用实验方法验证。弦理论就像数学领域的形而上学，科学家从来不会给任何贴上“形而上学”标签的东西好脸色看。出乎意料的是，越来越多的公开评论和尖刻的诽谤只针对一个哲学家——卡尔·波普尔。这是怎么回事？

去年，我碰巧有幸在现场目睹了这样一场研讨会。当时我应邀到慕尼黑参加一个基础物理的研讨会，会议的具体讨论内容是“弦理论辩论”。会议的组织者斯德哥尔摩大学的理查德·达维德(Richard Dawid)是一位科学哲学家，有着深厚的理论物理学背景，也是理论认识论的支持者。他肯定了弦理论物理学家的努力，并试图为“弦理论”辩护:弦理论不仅仅是脱离了真正科学的华丽的数学模型。我在这次会议中的任务是确保每一位与会者(一半是哲学家，另一半是科学家，其中一位是诺贝尔奖获得者)都能充分理解科学哲学导论课的内容:波普尔说了什么，为什么这么说——既然这组中有很多物理学家用波普尔的证伪理论来否定弦理论的科学性，而其他人则不屑一顾，那么就有必要让他们知道波普尔的理论是否科学。

事实上，早在会议召开前一个月，双方的主要科学家就已经使出浑身解数，发起了铺天盖地的舆论攻势。有人在严肃的《自然》杂志上发表文章宣言，有人在接地气的推特上发表观点，都是为了打赢现代物理学核心的攻防战。为了让大家感受一下当时的气氛，我摘录了几段对质。“最让我害怕的是，如果一个不能通过实验检验的理论能够成为科学，那么科学就和那些废话或者科幻小说没什么区别。”这来自宇宙学家乔治·埃利斯，他显然是在批评弦理论；紧随其后的是瑞典物理学家萨宾·霍森费尔德，他说:“‘没有实验证明的科学’这个词是自相矛盾的。”哈佛大学教授彼得·加利森一针见血地指出了双方争论的核心:“这是一场关于物理学本质的争论。”还有一次，支持弦理论的人也不甘示弱。宇宙学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)在自己的推特上写道:“我们无法提前预测哪种理论能够正确描述这个世界。”然后，他写道:“只有缺乏哲学素养的科学家才会把可证伪性当成圣经。”限于篇幅，我只能摘录一位科学家的精彩回应——斯坦福大学的理论物理学家李奥纳特·苏士侃发明了一个新词“波普拉兹”(Popperazzi)，用来讽刺正在撕扯波普虎皮的科学家(“波普拉兹”可以翻译为“波普的追随者”，“阿齐”或“拉兹”的意思是“跟踪者”)。

这场坦率而激烈的公开辩论并不令人惊讶。它完全反映了当今学术界颇有名气的科学家对待哲学的态度:有些人试图使用一些哲学概念，而有些人则干脆放弃所有的哲学思考，无论是前者还是后者都没有真正理解这些哲学概念。在弦理论的战争中，他们对波普尔的科学哲学及其在“边界问题”中的应用一知半解。现在相当多的科学家(尤其是物理学家)对哲学的评价并不高，这对于我这个中年危机后成为哲学家的“前科学家”来说是非常讽刺的。早在几年前，斯蒂芬·霍金就宣称哲学已死，物理学家劳伦斯·克劳斯嘲讽说，哲学会让他想起上世纪美国喜剧演员伍迪·艾伦的黑色幽默:“做不了大事的人会跑去教书；教不了书的就教体育。”科普工作者尼尔·德·格拉斯·泰森和比尔·奈也对哲学提出了质疑。他们认为年轻人选择哲学作为他们的专业是在浪费他们宝贵的青春。

幸运的是，这种观点直到最近才出现，只有少数物理学家有这种想法。与上面提到的现代物理学家对哲学的傲慢态度形成鲜明对比的，是爱因斯坦在1944年写给朋友罗伯特·索顿的信中对同一话题的态度:“我非常同意你的观点，科学方法论、科学史和科学的哲学思考具有重要意义和教育价值。如今，太多的人-甚至许多专业科学家-只看到树，而不是森林，只看到部分而不是整体。而哪怕是一点点的历史或哲学背景知识，也能让他们拥有更广阔的视野，让他们超越同时代人的局限。在我看来，正是这种哲学视角带来的时代超脱，将‘真理探求者’与‘掌握某项技术的专业技术人员’区分开来。”换句话说，如果以爱因斯坦的标准来衡量，现代物理学界的大部分人可能都是“拙劣的技术人员”，真正的真理探求者却少之又少。

但客观来说，爱因斯坦对哲学的看法即使在当时也不具有代表性，所以在今天也未必有什么现实意义，更何况弦论物理学家只占物理学界的一小部分，更不会在推特上留言——他们可能只是弦论物理学家这个小群体中比较健谈的一部分。由此可见，他们对哲学的攻击实际上并不代表物理学界的整体态度。不幸的是，由于所有学术领域的顶尖人才都参与了这种讨论，他们很容易误导大众——因为不了解这一领域的普通旁观者(甚至是研究其他课题的物理学家)只能通过科学家在公共媒体和科普杂志上的激烈辩论来了解弦理论这个宏大的话题。

换句话说，今天大众接触到的物理学界的人似乎只有两种:一种是公开鄙视哲学的人，一种是自以为知道相关哲学真谛，自视甚高的人。从这个角度来看，不仅这个领域的研究人员小圈子已经陷入危机，整个社会都在逐渐失去对人性和科学的赞美和尊重——更不用说每年拨给物理学家的几百万科研经费了(科研经费当然只会分给物理学家，不会分给哲学家)。因此，在今天的形势下，我们有必要重新打开历史的档案，仔细推敲波普尔哲学的深层含义，回答一个问题:它与科学的关系是什么？

让我们回到文章开头提到的波普尔的理论:判断“科学”与“非科学”的标准是可证伪性。这个标准看起来很简单，但坏消息是，这只是一个假象。波普尔的理论被总结成几句话发到推特上，成功欺骗了很多聪明的评论者，让他们严重低估了理论背后哲学的复杂性。这就好比把波普尔的哲学变成了一个贴在电线杆上的小广告:“不能证伪的就不是科学，所以不要浪费大众的时间和金钱！”

但是优秀的哲学思想并不是像小广告那样简单的口号就能概括的，所以打算真正理解这种思想的人并不能满足于这样简单的句子。就连波普尔本人，在同行批评和反例的洗礼下，也对自己关于证伪和划界的理论进行了多次修正——这是每一个审慎的思想家都会做的事情。比如，他从一开始就排除了验证在建立理论过程中的作用，因为如果人们在建立理论的过程中主动寻找证据来证实它，那就太简单了，无法通过检验。在普通人的生活中，在科学家的研究过程中，类似的倾向非常普遍。现代心理学家给了这种现象一个专有名词:确认偏差。

但后来，波普尔承认，测试是合理科学方法的一部分，尤其是对于能够产生大胆而新颖预测的理论。毕竟，爱因斯坦之所以在1919年跻身顶尖科学家之列，正是因为天文学家在日全食中证实了他的预期数据。但对波普尔来说，这并不意味着爱因斯坦的理论(广义相对论)是“真的”，而只是意味着人们短期内不必为此争论。的确，考虑到上面提到的广义相对论和量子力学在一定条件下的冲突，今天我们已经不再认为爱因斯坦的理论是真理了。然而，不可忽视的是，广义相对论成功经受住了一个世纪的风雨，而就在几个月前，科学家首次探测到引力波——相对论再次被证实。

此外，波普尔的其他理论也发生了变化。他曾经把马克思主义唯物史观视为伪科学的代表，但后来至少承认了马哲历史观的可行性。另一个类似的例子是达尔文的进化论。起初，波普尔错误地认为进化论是建立在无意义的重言式基础上的，因此他一直对进化论持怀疑态度，但后来他逐渐接受了这一观点。同时，他也承认，再好的科学理论也可能存在证伪的漏洞——考虑到一个完整的理论总是包含一些辅助的次要理论和猜想作为背景。举个例子，如果有人想通过“用天文望远镜和相机观测太阳”来验证爱因斯坦的理论，那么实际上，他在进行实验的同时，还必须确保相机的镜头焦距理论、设计天文望远镜的基本光学原理、用于处理实验数据的数学模型和假设，以及大量其他科学家“想当然”的常识和背景——实际上， 相当于同时验证这么多理论，同时他还必须保证没有问题。 所以，当实际观察到的实验结果不能满足理论的相关预期时，我们不能急于否定整个理论，因为很可能只有一个次要理论会出问题。这就是为什么我们在一定程度上可以肯定一个理论之前，必须经过不同条件下的反复验证。

波普尔的工作与其说是回答“划界问题”，不如说是自己把“划界问题”放到科学哲学的地图上，号召哲学家们为了哲学的健全发展，尽力去界定什么是科学，什么不是科学。这种模式一直持续到1983年，当时著名的科学哲学家拉里·劳丹发表了一篇题为《划界问题的消亡》的论文。在这篇颇具影响力的论文中，劳登声称哲学家解决划界问题完全是浪费时间。他在文章中列举了一系列理由来证明自己的观点。最重要的一条是，任何人都绝对不可能找到一套定义“科学”、“伪科学”或其他类似事物的所有充要条件——而如果这些充要条件都没有找到，那就根本不可能完全区分科学和伪科学。

“充分必要”(简称“充分必要”)其实并不是一个科学的哲学术语，而是一个逻辑的哲学术语，但它对我们理解劳登的理论非常重要。劳登认为，波普尔等人准确定义“科学”和“非科学”的尝试，实际上类似于初等几何中的定义。比如，人们把一个内角为180度的几何图形定义为三角形。这个定义是充分必要的:只要一个几何图形的内角之和为180度，我们就可以说它是三角形(充分性)；而如果这个几何图形的内角之和不是180度，就不是三角形(必然)。在劳登看来，边界问题根本找不到这样的答案，因为“科学”或“伪科学”这样的概念本来就是复杂的、多维的、模糊的，没有明确的分界线。从某种意义上说，指责“波普尔追随者”(即弦理论的支持者)的物理学家，其实与劳登的想法不谋而合:波普尔的证伪标准是一种远离客观情况的“一刀切”标准，不适合区分“科学”与“伪科学”，而认为它可以区分理论物理等前沿学科中的健全与不健全的科学理论。

但是，请允许我再次反驳我上面提到的观点——我知道我在这篇文章里改了很多次主意(笑)。波普尔绝不像上面所说的劳登、肖恩·卡罗尔、李奥纳特·苏士侃等人那样悲惨。同样，划界问题也绝不像他们说的那么没用。许多研究人员(包括我的长期合作伙伴马丁·布德里和我)最近坚持认为，劳登否定划界问题有点太快了。而且，我们都认为Twitter不是一个讨论科学哲学的好地方(这里当然是指肖恩·卡罗尔等人在Twitter上对波普尔理论的批评)，很多细致微妙的讨论都无法在那里进行。

好消息是，研究划界问题是没有路可走的——只要你愿意抛弃充要条件的限制，路就会立刻出现在你的面前，而事实上，就连波普尔本人也没有要求必须在充要条件下研究划界问题。那么我们不禁要问，如果抛弃了充要条件，那么取而代之的是什么呢？这个问题的答案就是维特根斯坦的‘家族相似性’理论。我们认为，“科学”和“伪科学”都是具有“家族相似性”特征的概念。路德维希·维特斯坦根是20世纪另一位伟大的哲学家。在这个问题上，维特根斯坦就像另一个波普尔，尽管两位哲学家的气质和社会经济背景完全不同(译者:我不会告诉你肖伟家超级有钱)，甚至他们的研究兴趣也完全不同。[如果读者想更多地了解这两位哲学家的区别，可以参考一个有趣的读物:《维特根斯坦的扑克》(长春出版社，2003年)，作者是记者大卫·埃德蒙兹和约翰·埃德诺)]

有趣的是，维特根斯坦没有留下任何关于科学哲学、更不用说基础物理学或历史哲学的话语。维特根斯坦真正感兴趣的是“语言”，包括语言本身、语言逻辑和语言应用。维特根斯坦指出，生活中许多实际概念实际上并不服从劳登提到的明确定义。他最喜欢举的例子就是“游戏”这个看似简单的词。如果有人想通过定义一个三角形来定义“游戏”这个词，等待他的只有无尽的挫败感——如果读者不信，你可以自己试试，你会发现定义“游戏”本身就是一个无法完成的“游戏”。维特根斯坦写道:“我们如何向他人解释‘游戏’是什么？我们只能给对方描述几个游戏的例子，然后补充一句，‘像这样，或者类似的东西，就是游戏。’这并不是因为我们无知，而是从来没有人刻意划出这样的界限。我们可以人为地划定界限，但这能让这个理论更实用吗？我不这么认为！"

问题的关键在于，在很多情况下，边界确实存在，只是我们找不到，这使得“定义游戏”和“定义规范科学的方法”成为柏拉图式的理想，永远存在于形而上学的维度中。我们往往是为了某种目的而创造边界，然后根据创造的目的来检验它们是否有效——就像在定义科学和伪科学的时候，我们主观上认为它们之间有显著的区别，所以我们必须试图在它们之间划一个界限，强调它们的区别。我相信无论对于科学家还是哲学家来说，对于天文学和占星术有本质区别的说法应该都不会有异议，但问题是，这种区别在哪里？或者至少，在哪里？

与上面的问题类似，许多参加慕尼黑研讨会(或者更广泛地说，参加弦理论的辩论)的科学家确实感觉到基础物理的传统观念与弦理论学家所声称的有一些重要的区别。研讨会的组织者理查德·大卫(Richard David)反对用后经验科学来描述弦理论，这很容易被人嘲讽。他提倡使用“非实证理论评估”来代替。然而，无论别人如何选择这些名称，大卫和他的同事们发现，弦理论等物理理论已经偏离了伽利略时代建立的传统科学通道。即使真相是伽利略本人更注重理论研究(他参与了大量的理论辩论和思维实验，很可能从未完成过比萨斜塔上的自由落体实验)，他的想法也是绝对可证伪的，科学家喜欢设计实验来验证(最著名的可能是大卫·斯科特在阿波罗15登月时完成的实验:他让一根羽毛和一把锤子同时落在没有空气的月球表面，两者同时着陆。

那么接下来，一个更大的问题是，这是标志着一个全新科学领域的开始，还是仅仅是后人眼中科学历史长河中的短暂停顿？有没有可能基础物理的终结不是因为我们已经知道了我们想知道的一切，而是因为我们的智力和技术水平已经达到了极限？这些都是很严肃的问题，不仅物理学家和哲学家要思考，普通大众也要思考清楚。毕竟，为基础物理和其他研究提供资金的是普通大众。

让我感到奇怪的是，在这场关于科学哲学原理的应用和误用的弦论辩论中，科学家和哲学家都在积极地从社会中吸引更多的支持者。我不禁遗憾，如果他们能停止彼此无谓的争论，合作发挥集体智慧，那该多好。而不是用各种不专业的术语攻击对方，他们本应该真诚合作——当然，仅仅追求更好的科学是不够的，他们还应该驱逐真正的伪科学:比如顺势疗法(这种理论指的是如果一种物质可以在健康人身上引起病人的疾病，经过稀释和动摇后可以治疗)或者通灵术，等等，如此明显的伪科学仍然挥之不去。这些确实值得学术界认真批判分析，公之于众。而且，知识分子和研究人员(无论是在物理学还是哲学领域)也有责任尽力改善社会，因为正是这样一个社会支持着他们，使他们能够专注于认识论或理论物理学这样一门困难的学科。

作者马西莫·皮柳奇。

翻译叶玄甲

修订丁