誰不喜歡一個美的主意?物理學家尤其喜歡。在物理學的基礎上，偏愛美學上令人愉悅的假設已經(jīng)成為公認的實踐。物理學家認為他們的動機并不重要，因為假設畢竟都必須得到驗證。但他們的大多數(shù)美好想法都很難或不可能得到驗證。當實驗空手而歸時，物理學家可以修正他們的理論以適應他們得到的無效結果。
這種情況已經(jīng)持續(xù)了大約40年。在這40年里，美學爭論已經(jīng)發(fā)展到各種研究項目中去——如超對稱、多元宇宙和大統(tǒng)一——這些研究現(xiàn)在正占據(jù)著成千上萬科學家的精力。在這40年里，社會在實驗上花費了數(shù)十億美元，卻沒有發(fā)現(xiàn)任何證據(jù)來支持這些美的想法。在這40年里，物理學的基礎并沒有取得任何重大突破。
我的同事認為審美標準是基于經(jīng)驗的。我們目前擁有的最基本的理論在特定的方面是美的，即粒子物理學的標準模型和愛因斯坦的廣義相對論。我同意有必要試著假設更多的基本理論在相似的方面是美的，但是我們已經(jīng)做過實驗了，這些理論站不住腳。盡管如此，物理學家們仍在根據(jù)同樣的三個美學標準選擇理論：簡單、自然和優(yōu)雅。
簡單，我不是指奧卡姆剃刀理論，這個理論要求在兩個可以實現(xiàn)相同目標的理論中，你選擇更簡單的那個。不，我的意思是絕對簡單：一個理論應該是簡單的。當一個理論對我的同事來說還不夠簡單的時候，他們就會試圖讓它們變得更簡單——通過統(tǒng)一幾種因素或者假設新的對稱，將粒子組合成有序的集合。
第二個標準是自然。自然是一種試圖擺脫人為因素的嘗試，它要求一個理論不應該使用看起來是精心挑選出來的假設。這一準則通常適用于沒有單位的常數(shù)值，例如基本粒子質量比。自然要求這樣的數(shù)字應該接近1，或者，如果不是這樣的話，理論解釋了為什么不是這樣。
然后是優(yōu)雅，美的第三個也是最難以捉摸的方面。它通常被描述為簡單和驚喜的結合，綜合起來，揭示了新的聯(lián)系。我們在“啊哈效應”(Aha effect)中找到了優(yōu)雅之處，也就是事情步入正軌的頓悟時刻。
物理學家目前認為，根據(jù)這三個標準，如果一個理論是美的，那么這個理論則是有前景的。這使得他們預測，例如，質子應該能夠衰變。自上世紀80年代以來，實驗一直在尋找這種現(xiàn)象，但迄今為止還沒有人發(fā)現(xiàn)質子衰變。理論家還預測，我們應該能夠探測暗物質粒子，比如軸子或弱相互作用的大質量粒子(WIMPs)。我們已經(jīng)委托進行了幾十個實驗，但并沒有發(fā)現(xiàn)任何假設的粒子——至少目前還沒有。同樣的，對稱和自然這兩個標準讓許多物理學家相信，大型強子對撞機(LHC)應該能看到希格斯玻色子之外的新東西，比如所謂的“超對稱”粒子或額外空間維度，但到目前為止這些現(xiàn)象都還沒有被發(fā)現(xiàn)。
在這個做法變得荒謬之前，你能把它推進到多遠?如果你讓一個理論變得越來越簡單，它最終會變得不可預測，因為這個理論不再包含足夠的信息來進行計算，到了那時你所得到的是將會是理論家們現(xiàn)在所稱的“多元宇宙”——個有著不同自然規(guī)律的無限宇宙的集合。
例如，如果你不通過測量確定牛頓常數(shù)的值就使用萬有引力定律，那你可以說你的理論包含了一個任何常數(shù)值的宇宙。當然，然后你必須假設我們生活在一個宇宙中，而這個宇宙的常數(shù)值正好是我們碰巧測量到的牛頓常數(shù)。所以看起來你好像并沒有得到什么，除了理論家現(xiàn)在可以寫關于大量新宇宙的論文，甚至是其他不可觀測的宇宙，因此多元宇宙理論在實驗測試中是安全的。
我認為我們是時候從科學史中吸取教訓了，美并不能作為理論發(fā)展的向導。許多美的假設都是錯誤的，比如約翰尼斯·開普勒(Johannes Kepler)的觀點，行星軌道堆積在規(guī)則的多面體中，即所謂的“柏拉圖固體”，或者原子在看不見的以太中打結，或者宇宙處于“穩(wěn)定狀態(tài)”而不是在膨脹。
其他一些曾經(jīng)被認為是丑陋的理論則經(jīng)受住了時間的考驗。當開普勒認為行星是沿著橢圓而不是圓運動時，與他同代的科學家們覺得這個理論太丑了，因此不可能是真的。物理學家詹姆斯·麥克斯韋(James Maxwell)拒絕接受自己關于電場和磁場的理論，因為在他那個年代，美的標準涉及齒輪和螺栓。保羅·狄拉克(Paul Dirac)指責麥克斯韋理論的后一個版本非常丑陋，因為要去掉不定式需要復雜的數(shù)學運算。然而，那些被認為是丑陋的想法卻是正確的。它們至今仍在被使用。我們不再覺得它們丑陋。
歷史還有第二課。盡管對于許多物理學家來說，美可以說是一種強大的個人動力，但導致突破的問題不僅僅是美學上的疑慮，而是數(shù)學上的矛盾。例如，愛因斯坦廢除了絕對時間，因為它與麥克斯韋的電磁學相矛盾，從而創(chuàng)造了狹義相對論。然后他解決了狹義相對論和牛頓引力之間的矛盾，從而創(chuàng)造了廣義相對論。狄拉克后來消除了狹義相對論和量子力學之間的分歧，這導致了量子場論的發(fā)展，直到今天我們仍然在粒子物理學中使用量子場論。
希格斯玻色子也是出于邏輯一致性的需要而誕生的。2012年在大型強子對撞機上發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子是標準模型發(fā)揮作用所必需的，如果沒有希格斯粒子，粒子物理學家的計算返回的概率大于1，這是無法描述現(xiàn)實的數(shù)學。當然，數(shù)學沒有告訴我們缺失的東西就一定是希格斯玻色子，它也可能是別的什么東西，但我們在LHC還沒有建成之前，就知道必定會有新的事情發(fā)生。這是建立在堅實數(shù)學基礎上的推理。
另一方面，超對稱粒子也很美，但它們并不是必須的。它們被包括進來是為了彌補當前理論的審美缺陷，即缺乏自然性。一個不是超對稱的理論在數(shù)學上并沒有錯誤，只是不是特別美。粒子物理學家利用超對稱性來彌補這一不足，從而使這個理論更加美。因此，超對稱粒子應該出現(xiàn)在大型強子對撞機上的預測是基于希望而非合理邏輯，而這些粒子目前還沒有被發(fā)現(xiàn)。
我從這一長串無效結果中得出的結論是，當物理學試圖糾正美的缺失時，我們把時間浪費在了那些不是真正問題的問題上?，F(xiàn)在，在我們開始討論這個世界是否需要下一個更大的粒子對撞機或另一個暗物質搜索實驗之前，物理學家們必須重新考慮他們的方法。
當然，答案不可能是任何事情都會發(fā)生。新理論應該解決現(xiàn)有問題的這個觀點在原則上是好的——只是，目前，這些問題本身還沒有清晰地表述出來，不足以讓這個標準發(fā)揮作用。推理的概念和哲學基礎在物理學基礎上是薄弱的，這必須得到改進。
要求自然符合我們對美的理想是沒有用、也不是好的科學實踐。我們應該讓證據(jù)引導我們走向新的自然法則，我相信美會在那里等著我們。
