物理学的困惑

chimez 2015-11-07 0

圈量子引力的科普书，专治超弦迷信。

路云尼米 2017-01-30 0

对弦理论直觉的反感在本书找到了答案

Nuphy 2017-03-26 0

对于物理学的五大困惑我确实不太理解，刚好前两天学校请了一个75岁的老先生来讲课，他声称自己和南方科大的一位13岁的本科生将相对论和量子力学统一起来，课后同学们嘲笑他民科，但我突然觉得民科和前沿领域的研究者何其相似，即使只是在表面相似，模模糊糊感觉到自己像是个不可知论者，对将来科学的发展也是感到茫茫无尽，一片悲哀。

西风漂流 2017-02-13 0

看不懂

[已注销] 2015-01-11 0

前面讲物理的还是太难后面讲伦理哲学科学还是蛮有意思

leonhard 2012-10-06 0

斯莫林水准不错，另外这本书的英文版也不错，斯莫林的英语堪称plain English，绝不炫耀辞藻

好朋友格罗斯曼 2013-05-04 0

大概是能激起人做理论物理兴趣的书。由于书是06年写的，书中提到的一些实验现在去查的话能看得到结果。

Jacqueline 2015-01-02 0

我想给六颗星。1)弦论到底在干嘛读了一大堆云遮雾罩的结果最后是反对弦论的人写得最清楚；2)对美国科研体制的批评极其犀利，切中要害。

轻抛浮名 2010-09-24 0

这书最适合在看完《宇宙的琴弦》之后看，关于弦论的论战。

铬黑鹤 2016-05-15 0

刨去中间论述弦论的部分过于专业，我等门外汉难以理解之外，前后部分很值得一读。尤其是论述科学与社会学关系的段落，也算是在科研领域中的一员，对作者所说深有共鸣。

阅微草堂 2012-01-14 3

一般，作者在自言自语，也是一种科学家和教育家的无奈。过了一年多再读这本书有了很多新的收获：对偶性就是两种不同方式看同一个现象。2013.6.13过了两年读这本书，才知道坚持有多么难，帮助你的人有多么可贵狭义相对论和量子力学结合是QED QED-----跳跃（自发破缺--希格斯场+规范理论--杨米尔斯场）--弱电理论---产生基本模型（超统一失败了）广义相对论的教诲：时空是动力学演化的---非线性；背景独立（内蕴的--高斯几何的教诲）在这个教诲下弦论是线性和近似的，并且必须和背景有关，所以与广义相对论矛盾

EUPHORIAa 2015-04-29 1

深入浅出虽然内容有点过时了

浮生四季 2011-12-06 1

感想：1、国外也搞山头主义。2、作者好人啊。

chimez 2015-11-07 0

圈量子引力的科普书，专治超弦迷信。

路云尼米 2017-01-30 0

对弦理论直觉的反感在本书找到了答案

Nuphy 2017-03-26 0

对于物理学的五大困惑我确实不太理解，刚好前两天学校请了一个75岁的老先生来讲课，他声称自己和南方科大的一位13岁的本科生将相对论和量子力学统一起来，课后同学们嘲笑他民科，但我突然觉得民科和前沿领域的研究者何其相似，即使只是在表面相似，模模糊糊感觉到自己像是个不可知论者，对将来科学的发展也是感到茫茫无尽，一片悲哀。

西风漂流 2017-02-13 0

看不懂

[已注销] 2015-01-11 0

前面讲物理的还是太难后面讲伦理哲学科学还是蛮有意思

leonhard 2012-10-06 0

斯莫林水准不错，另外这本书的英文版也不错，斯莫林的英语堪称plain English，绝不炫耀辞藻

好朋友格罗斯曼 2013-05-04 0

大概是能激起人做理论物理兴趣的书。由于书是06年写的，书中提到的一些实验现在去查的话能看得到结果。

视野宽阔，见解深刻

神奇的大自然 2016-08-15 1赞

从逻辑上讲，这本书的结构应该是批判当今科学的社会学问题，然后弦论与其他非主流理论的关系是一个例子。然而出于作者自己的目的，这个例子被安排成了一个巨大的例子。对科学存在问题的批判似乎没有受到很多关注和质疑，而这个例子不出意料引发了广泛的争议（包括Polchinski, Sean Carroll）。下面就按照书中的顺序，谈谈几个重要的地方和有意思的地方。

----------------------------------------------------当今物理学的任务--------------------------------------------------

一开始作者就列出了一个问题的单子（可能是学着Hilbert?），而且给出了有见解的评论：

Problem 1: Combine general relativity and quantum theory into a single theory that can claim to be the complete theory of nature.

为什么我们需要统一？首先是因为大自然本身就是一个整体，我们决不能有两个覆盖不同现象的毫不相关的理论。其次是因为两个理论都存在各自的无穷大，说明它们都不能当做终极理论。不过这里的论证并不严密，为什么大自然是统一的就要求理论也一定是统一的？广义相对论与量子理论在它们重叠的地方（经典极限）并没有冲突。过去的成功给了当今尝试统一的物理学家很大的信心，不过没人能保证理论的确是可以统一的，没人能保证人类可以把所有的物理现象都解释成一个内核的不同侧面。

Problem 2: Resolve the problems in the foundations of quantum mechanics, either by making sense of the theory as it stands or by inventing a new theory that does make sense.
作为一名坚定的realist，作者相信量子力学是不完备的，并且提出了三种解决的可能：

    1. 找一种语言，将系统与观察者的划分作为理论的基本特征；
    2. 重新解读方程，以满足实在论；
    3. 创立新理论。

在前两种尝试屡屡受挫时，作者相信最终的解决很可能是第三种情况，而且这个问题不会是被独立地解决，而是伴随着对其他问题的洞察。

Problem 3: Determine whether or not the various particles and forces can be unified in a theory that explains them all as manifestations of a single, fundamental entity.
作者首先区分了两种理论（following Einstein）：

    1. theories of principle: set up the framework. should be universal and unified: QM & GR.
    2. constructive theories: describe particular phenomenon in terms of specific models or equations: Maxwell EM & Dirac electron theory.

Constructed theory is not necessary to be universal: QED does not exclude the existence of dark matter.
作者认为统一 theories of principle是必须的，而没有逻辑上的必然要求力也是统一的。

Problem 4: Explain how the values of the free constants in the standard model of particle physics are chosen in nature.
标准模型没有无穷大的问题，但是可调参数太多。

Problem 5: Explain dark matter and dark energy. Or, if they don't exist, determine how and why gravity is modified on large scales. More generally, explain why the constants of the standard model of cosmology, including the dark energy, have the values they do.
暗物质和暗能量可能是当今物理学实验带来的最大挑战了。

---------------------------------------------------历史上一些统一的尝试----------------------------------------------

统一理论中被历史埋没的尝试： 1914年Nordström通过增加额外维统一了牛顿引力和电磁场； 1918年Weyl提出了一个数学上很漂亮的统一引力和电磁力的理论，并首先提出了规范原理的思想，不过在这里物体的长度取决于运动路径； 1919年Kaluza复活了Nordström的想法，在五维广义相对论中引入电磁力。30年代还有不少物理学家尝试统一引力和电磁力。到了40年代，Einstein和少数还在追求统一场论的人就成了大家的笑柄。很多理论中蕴含着一些后来弦论思想的萌芽，不过另一个可能的潜台词就是：A beautiful theory is not necessary to be real.

接下来作者介绍了弦论的发展史，最终得到弦论对五大问题基本无能为力的结论。不过更重要的收获来自下面这个部分，跟随一位活跃的内行，可以领略到近些年物理学中的很多新思想。

-------------------------------------------------------弦论以外的新思想-------------------------------------------------

实验方面（对现有理论进行检验的一些实验）：

GZK预言：宇宙射线的能量如果高于π的能量，就会同CMB的光子发生相互作用。所以我们能探测到宇宙射线能量的上限是10^10GeV。这会给以狭义相对论为基础的量子场论以检验，Auger正在进行精密的测量。

通过对γ射线暴的观测可以检验光速是否与频率无关。

对质子衰变的观测将挑战标准模型。

理论方面：

与宇宙学常数相关的尺度是R尺度，约为10^26m（查了一下资料，与书中略有不同）。这个尺度远大于我们熟悉的任何尺度，因而有可能蕴含着新物理。根据scales match（大小相当的尺度上发生的两件事很可能相互影响），值得看看这个尺度上的其他现象。换算成加速度约为 10^-9m/s^2（宇宙膨胀的加速度），这很接近恒星围绕星系旋转时加速度的尺度 10^-10m/s^2 ，因而暗物质可能与暗能量相关，或二者有着共同的起源；换算成质量，则与中微子质量差的尺度相当（我算了一下发现似乎远小于质量差的尺度）。

对狭义相对论的修正：Giovanni Amelino-Camelia基于普朗克长度也应该是Lorentz不变的，提出了doubly special relativity。不过这里有个问题，普朗克长度可以理解为标定广义相对论有效范围的尺度（如果认为c和h是基本的），那么有什么理由赋予这个尺度这样的特殊性（Lorentz不变）？ Moffat也作出了类似的工作。后来作者与João Magueijo合作，提出了另一种协调可变光速与相对性原理的理论DSRII。在这个理论中，能量越高的光子速度就越快。因此早期宇宙光速很高，也就没有必要引入暴涨来使宇宙达到平衡了。

圈量子引力（LQG）：最重要的三个特性是： 1. space is emergent; 2. the more fundamental description is discrete; 3. this description involves causality in a fundamental way.

Twistor theory(Penrose): 事件不是基本的，而事件之间的因果关系是基本的。问题：无法量子化，也没有办法包容广义相对论。

非交换几何（ Alain Connes）： if you take Maxwell's theory of electromagnetism and write it on the simplest possible noncommutative geometry, out pops the Weinberg-Salam model unifying electromagnetism with the weak nuclear force. In other words, the weak interactions, together with the Higgs fields, show up automatically and correctly. 这说明非交换几何很可能是描述电弱理论的正确语言。

接下来这部分达到了本书的高潮：

--------------------------------------------------------科学的社会学---------------------------------------------------

作者在这部分套用Feyerabend的思想，论证了为什么当今科学界是不健康的：主流理论过度抑制了其他方向的发展。

Feyerabend的主要思想是抨击了逻辑实证主义与证伪主义。否定一个理论并不是容易的事。比方说一个理论被否定后，科学家会改变对实验的解释，从而坚守住理论。Lakatos有一个十分形象的比喻，"If you see one bright red swan, you are not likely to give up a theory that says that all swans are white; you will instead go looking for the person who painted it." 这种坚守有时候是对的，有时候不对，如何才能知道自己处于那种情况？Feyerabend说：你不可能知道。在紧要关头时，科学家会在紧要关头打破法则而取得进步，这就从总体上攻击了方法决定科学进步的思想。

作者深受Feyerabend以及他的思想的影响。Feyerabend告诫他很多时候我们没法先验地判断哪种方法是正确的，所以就去做自己认为是对的：You have to fight for what you believe. "Just do what you want to do and don't pay any attention to anything else. Never in my career have I spent five minutes doing something I didn't want to be doing."既然没法知道那种科学方法是正确的，我们就要鼓励各种不同方法的发展。

另一方面，作者也受到了Kuhn关于normal science和revolutionary science不同范式的区分的影响。他对当前物理学界形势的判断是：我们正处于革命期，但却用着常规科学的方法（实用主义）。粒子物理的标准模型与宇宙学的标准模型可能是常规科学所能达到的极致了。

基于以上理论，作者提出了自己的观点。科学（像民主一样）之所以存在争论，主要是因为我们要依靠不完备的信息提出理论，这就导致了不同的派别。如何能够让不同的派别协调工作？这就需要对道德规范的忠诚，是谓ethic；但这不足以将科学群体同宗教群体区分开来，我们还需要a belief in the inevitability of progress和an openness to the future，是谓imaginativeness。我们知道会达到一个更好的未来，但是不知道如何达到。比方说Marxism和religion就不具有这个特点。Ethic要求当证据迫使我们达成共识时我们就该达成共识。而Imaginativeness要求达成共识之前，我们应该鼓励存在各种不同的观点。当今科学体制的问题正是在于主流理论抑制了其他理论的发展，这是本书的主要论点。（由此看来，作者似乎并没有达到Feyerabend的境界）

某种意义上说，科学的演进与物种的演化有些相似。对于一个物种来说，是遗传更重要，还是变异更重要？这取决于从哪个角度来看待问题。对于一个物种的存续而言，遗传无疑是最重要的，然而只有遗传的物种是不可能进化的，所以变异也是重要的。但是相比之下，遗传具有基本的重要性，这也是为什么基因突变一定要求是少量的，低频的，否则一个物种的生存都将成为问题。换句话说，收益总是正比于风险的。科学也是一样，我们需要多数人从事低风险的工作来维系科学的大厦，也需要一些人去冒险寻找理论的突破。至于一个人选择了哪条路，就要看他的个人特质了。

从另一个角度来看，当多数人都发现一种理论可能会比较靠谱时，自然会有大量的资源流进这个领域，使其迅速发展。这有点儿像是我们按照预期的赔率下赌注，我们预期的赔率可能是错误的，但就我们已知的信息而言，这是最佳策略。如果我们放弃了对主流理论的支持，这些资源可能就会分散给各个小领域，其中某个潜在的方向，未来会被证实是正确的，但是由于资源的分散，这个方向发展的也会很慢。只要人们对各个理论的判断有高有低，我们分配的资源就会有多有少，最后我们都要为曾经的判断买单。

其实类似的讨论在国内也经常会见到。很多人批评我们国家过于重视大项目、大课题，而忽视了一些冷门的原创性科研，培养出了大量的科研民工而没有具有独立自由思想的原创性科学家。这可能是因为我们常常过于强调科研方法对科学水平的影响，而忽视了科学水平也在一定程度上决定了科研方法。在一个国家的科学刚刚起步，需要迎头赶上时，集中力量办大事无疑是一个捷径。因为在整体科学素养不足时过度强调创新性，很可能带来所谓“民科”的风气。然而这种策略当然不能成为长久之计。这其实不仅仅局限于科学领域，比方说建国初期百废待兴时，计划经济具有更强大的调度资源的能力，使得我国得以在短时间内在国防与重工业等方面迅速恢复元气，但这并不适合今日的发展。

---------------------------------------------------------------结语---------------------------------------------------------

社会学问题可能会长期存在，而物理学一直在发展，现在已俨然不是十年前成书时的格局，甚至可能相反。弦论的PhD出来很可能找不到postdoc或教职岗；据说前不久在北京举办的弦论大会也大都在讨论弦论以外的内容。这正应了Sean Carroll对本书评论中的话："String theorists are made, not born; they are simply physicists who have decided that this is the best thing to work on right now, and if something better comes along they would likely switch to that. ... If a latter-day Green and Schwarz were to produce a surprising result that convinced people that some alternative to string theory were more promising, it wouldn’t take long for the newcomer to become dominant. Alternatively, if another decade passes without substantial new progress within string theory, it’s not hard to imagine that people will lose interest and switch to other problems."

最后附上一些关于本书评论的链接。Polchinski的评论侧重于物理（包括Cosmological constant, background independence, AdS/CFT等几个比较有争议的问题），Carroll的评论则两方面都有讨论。

Polchinski on Smolin:
http://www.americanscientist.org/bookshelf/pub/all-strung-out

Smolin on Polchinski on Smolin:
http://leesmolin.com/writings/the-trouble-with-physics/dear-friends/

Polchinski on Smolin on Polchinski on Smolin:
http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2007/05/21/guest-post-joe-polchinski-on-science-or-sociology/#.V6-JNvkrJD8

Sean Carroll on Smolin:
http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2006/10/03/the-trouble-with-physics/

《物理学的困惑》——也许他们都错了

史坦尼斯 2016-02-28 2赞

二月份阅读的物理学专题差不多也该以这本书做一个结尾了。一路走来，看到的都是物理学高歌猛进、血染征途的高傲模样，却没有想到他正自己一步一步地走进了一个谜样的陷阱当中。物理学家们想要再走出这个困惑，恐怕已经不是那么容易的事情了。从反面的角度看待这个以科学为一切发展和运转基础的世界，竟然显得有些荒谬起来。说来也是惭愧，本书的前半部分我几次看得睡着，只有在第四章才睁开眼跟着斯莫林教授的叙述深入到顶尖科学界的内部。在他对科学伦理的考察中我居然也忧心忡忡起来。
科学共同体是人类有史以来最值得信任的组织，没有之一。他们采用的方法让人们都能够信赖、他们的结论也经得起这一套自洽体系的验证。可是和所有运行长久的系统一样，科学世界的顶尖领域，也许也出现了暮气沉沉的现象。甚至，出现了拉帮结派、类似邪教的小组织。作者自己是著名的理论物理学家，年轻时代也有过研究弦理论的一段经历。可是如今他再回忆起这件事情的时候，如同刚刚从传销组织当中掏出来一样，对于弦理论界竟是一副谴责、担忧的神情。无论如何，也许这的确是时候让弦理论家们思考自己自身的问题了。当然也有可能他们正如斯莫林所说的，已经对于自己的小团体走火入魔而不可能走出这个深陷其中的怪圈了。
听说弦理论已经是10多年前的事情了，那时候弦理论本身已经发展了20年，而我自己还是一个不谙世事的小学生。那时候觉得这个理论简直不可思议，我们眼中所见的坚固的、柔软的万事万物，竟然是一根弦的震动所造成的？这并不可能。稍长，看了一些科普，对于弦理论当中的数学美有了一点点了解。自己当然是不可能计算的，只是知道，它如果成功的话的简洁和对称足以统一相对论和量子力学，而且符合上帝的审美。从那时到现在，已经跨过了一个世纪，引力波都被发现了，而弦理论的证明仍然遥遥无期。也许业界已经获得了更多的证据，但也有可能是和斯莫林所说的一样，其实已经侮辱了歧途。有多少成果都是建立在“弦理论如果是正确的基础上”这句话的上面，可是如果它不成立呢？我们投入的这么多人力物力和智慧的头脑竟将最终收获一座倒塌的科学大厦的废墟。当然，从科学的进化上来说，做出错误的决断也并不坏事，至少帮人们排除了一个错误的可能。但是如果最终证明，人类把全部的鸡蛋都放在一个露底的篮子里，那将是多么可惜的事情。根本用不着三体人来锁死我们的科技，我们自己就停滞了30多年的科研时光。
和任何需要开创性的事物一样，科学更需要创意。创意未必是一个好东西，它有时会是很不靠谱的。科学共同体存在的必要性，就在于对于那些靠谱的不靠谱的科学成果给予相应的评价，甚至可以是在几百年后为它再正名。可是这种创意的来源，只能是有着锐意进取头脑的中青年人。老教授们为科学把关是正得其所，让他们再创造新的革命未免有些强人所难。顶尖的数学家做出的改变世界的成果都是在他们年轻的时候，真的功成名就了，反倒很少有人还能做出惊人的言论。从物理的发展史话来看，似乎也有着这样的年龄魔咒。也许理论物理学界至今没有突破对于弦理论描述的难题，就是因为他们都老了，或是迷恋老人了。随着当代科研的规模越来越庞大，数学家和理论物理学家想要靠一支笔坐在办公室里做出什么东西来真的是越来越难，那种智力竞赛的浪漫气氛也在当代科学界越来越淡。我本身做过几次工科类的科研，正如斯莫林所说，工艺师的成分远远超过了预言家的成分。说实话，我当时认为即使是一个经过一定培训的普通工人也能够胜任这样无聊的科研工作，何须研究生？当然，研究生的工资也许更便宜一些。但是正是因为科研的逐渐正规化使得它的蓬勃朝气也在日渐官僚的氛围中凋零，真正为科研着想的出资机构，也许真的应该考虑一下斯莫林的建议给更多编外人士一点机会。从人类历史上看，野路子的人搞出赖以进步的发明并不是罕见的现象。
当然，斯莫林的意见还不够完整。在先破之后，他没有再立起来。这个世界应该是什么样子是很好描述的，可是野路子高人的遴选、新方向的跟进，又哪里是一句话这么简单的事情。我们究竟应该采取什么样的标准来衡量这些不在体系内的，无法量化的优势？如果我们定下了一个标准，又怎么保证原本如同量子云般弥散的所有的可能性不会坍缩在这个标准的方向上？从这个角度看来，稀缺性永远是人类无法摆脱的魔咒。

原来存在预言家和工艺师的物理学之间的差别

红の豚 2011-09-14 7赞

这本书讲的是弦理论这一物理学最热门的理论的相关问题，作者的态度是认为弦理论目前阻碍了物理学的发展。
我不是学理论物理的，虽然以前看过一些关于弦理论的普及性读物但是这本书里的内容我大部分都看不懂。这本书我只看懂了第一章和第二章，后面的就基本看不懂了。这本书评分比较高，但是真没看出这本书精彩的地方，直到第十八章预言家和工艺师。
第十八章提出了物理学家是可以分成预言家和工艺师之分的，物理学的革命需要的是预言家，可是目前研究弦理论的主要是一些工艺师类型的物理学家。——这是这本书最精彩的观点，也是令我获益最多的观点。
作者在第十八章里的观点是建立在库恩的科学革命的范式的理论之上的，还是比较有信服力的。
为什么说这一章的观点是令我获益最多的呢？我之前一直在思考数学物理到底是一门什么样的物理学分支，数学与物理学的关系究竟又是怎样的。虽然我本身也是做的相关的工作，但是一直没有想出令我满意的答案。看了这一章之后便突然领悟到原来物理学绝不是一个数学建模的过程，是存在预言家的物理这种可以不依靠数学工具而取得成果的物理的。（注：这里绝没有否定数学对于物理学的作用的意思）因此真的是获益匪浅。

一个小感想

黑猫阿姨 2010-01-24 10赞

       了解本书的最佳途径应该是书后的《译后记》，由译者自己所写，本书确实翻译的非常出色，况且以本人仅有的初中物理程度，确实万万不敢评论本书。
       想写评论纯粹是因为本书有着非常与众不同的一点，本书更多的是涉及科学的伦理观。
       书的英文名叫“The trouble with physics”，直接点，就是说，物理遇到大麻烦了！它有30年没有革命性的突破了！为什么没有突破？因为这30年是弦论一家独大，新鲜出炉的博士毕业生，要么跟着潮流，研究弦论，要么就放弃学术研究。造成的局面就是其他的新思想被大大的压制了，作者以亲身经历告诉我们如今科学界的学术伦理已经严重的扭曲了。
       所以作者以全书几乎1/3篇幅来讨论一种科学的伦理观，主要包括两个问题——科学是什么以及科学为什么能够成功的运行？
       如今物理科学界的现象又是怎么样的呢？老人当道，小团体思维主导学科主流，等级制度森严，有创造力思维的年轻人得不到重视……
       斯莫林先生的观点很明确——必须鼓励不同观点的研究，尤其是有反叛性思维的年轻人的理论研究。
       也许关于这些观点的文字有些老套，是不是觉得以上列举的这些弊端很耳熟？呵呵，我想斯莫林先生有机会可以来我国走一走看一看，也许他会释然的。

PS：斯莫林先生是反对弦论的，本书他是以弦论作为一个批判的对象，本人能力有限，无法评判，不过斯莫林先生的论述是非常精彩的。

一个小感想

黑猫阿姨 2010-01-24 10

       了解本书的最佳途径应该是书后的《译后记》，由译者自己所写，本书确实翻译的非常出色，况且以本人仅有的初中物理程度，确实万万不敢评论本书。
       想写评论纯粹是因为本书有着非常与众不同的一点，本书更多的是涉及科学的伦理观。
       书的英文名叫“The trouble with physics”，直接点，就是说，物理遇到大麻烦了！它有30年没有革命性的突破了！为什么没有突破？因为这30年是弦论一家独大，新鲜出炉的博士毕业生，要么跟着潮流，研究弦论，要么就放弃学术研究。造成的局面就是其他的新思想被大大的压制了，作者以亲身经历告诉我们如今科学界的学术伦理已经严重的扭曲了。
       所以作者以全书几乎1/3篇幅来讨论一种科学的伦理观，主要包括两个问题——科学是什么以及科学为什么能够成功的运行？
       如今物理科学界的现象又是怎么样的呢？老人当道，小团体思维主导学科主流，等级制度森严，有创造力思维的年轻人得不到重视……
       斯莫林先生的观点很明确——必须鼓励不同观点的研究，尤其是有反叛性思维的年轻人的理论研究。
       也许关于这些观点的文字有些老套，是不是觉得以上列举的这些弊端很耳熟？呵呵，我想斯莫林先生有机会可以来我国走一走看一看，也许他会释然的。

PS：斯莫林先生是反对弦论的，本书他是以弦论作为一个批判的对象，本人能力有限，无法评判，不过斯莫林先生的论述是非常精彩的。

原来存在预言家和工艺师的物理学之间的差别

红の豚 2011-09-14 7

这本书讲的是弦理论这一物理学最热门的理论的相关问题，作者的态度是认为弦理论目前阻碍了物理学的发展。
我不是学理论物理的，虽然以前看过一些关于弦理论的普及性读物但是这本书里的内容我大部分都看不懂。这本书我只看懂了第一章和第二章，后面的就基本看不懂了。这本书评分比较高，但是真没看出这本书精彩的地方，直到第十八章预言家和工艺师。
第十八章提出了物理学家是可以分成预言家和工艺师之分的，物理学的革命需要的是预言家，可是目前研究弦理论的主要是一些工艺师类型的物理学家。——这是这本书最精彩的观点，也是令我获益最多的观点。
作者在第十八章里的观点是建立在库恩的科学革命的范式的理论之上的，还是比较有信服力的。
为什么说这一章的观点是令我获益最多的呢？我之前一直在思考数学物理到底是一门什么样的物理学分支，数学与物理学的关系究竟又是怎样的。虽然我本身也是做的相关的工作，但是一直没有想出令我满意的答案。看了这一章之后便突然领悟到原来物理学绝不是一个数学建模的过程，是存在预言家的物理这种可以不依靠数学工具而取得成果的物理的。（注：这里绝没有否定数学对于物理学的作用的意思）因此真的是获益匪浅。

《物理学的困惑》——也许他们都错了

史坦尼斯 2016-02-28 2

二月份阅读的物理学专题差不多也该以这本书做一个结尾了。一路走来，看到的都是物理学高歌猛进、血染征途的高傲模样，却没有想到他正自己一步一步地走进了一个谜样的陷阱当中。物理学家们想要再走出这个困惑，恐怕已经不是那么容易的事情了。从反面的角度看待这个以科学为一切发展和运转基础的世界，竟然显得有些荒谬起来。说来也是惭愧，本书的前半部分我几次看得睡着，只有在第四章才睁开眼跟着斯莫林教授的叙述深入到顶尖科学界的内部。在他对科学伦理的考察中我居然也忧心忡忡起来。
科学共同体是人类有史以来最值得信任的组织，没有之一。他们采用的方法让人们都能够信赖、他们的结论也经得起这一套自洽体系的验证。可是和所有运行长久的系统一样，科学世界的顶尖领域，也许也出现了暮气沉沉的现象。甚至，出现了拉帮结派、类似邪教的小组织。作者自己是著名的理论物理学家，年轻时代也有过研究弦理论的一段经历。可是如今他再回忆起这件事情的时候，如同刚刚从传销组织当中掏出来一样，对于弦理论界竟是一副谴责、担忧的神情。无论如何，也许这的确是时候让弦理论家们思考自己自身的问题了。当然也有可能他们正如斯莫林所说的，已经对于自己的小团体走火入魔而不可能走出这个深陷其中的怪圈了。
听说弦理论已经是10多年前的事情了，那时候弦理论本身已经发展了20年，而我自己还是一个不谙世事的小学生。那时候觉得这个理论简直不可思议，我们眼中所见的坚固的、柔软的万事万物，竟然是一根弦的震动所造成的？这并不可能。稍长，看了一些科普，对于弦理论当中的数学美有了一点点了解。自己当然是不可能计算的，只是知道，它如果成功的话的简洁和对称足以统一相对论和量子力学，而且符合上帝的审美。从那时到现在，已经跨过了一个世纪，引力波都被发现了，而弦理论的证明仍然遥遥无期。也许业界已经获得了更多的证据，但也有可能是和斯莫林所说的一样，其实已经侮辱了歧途。有多少成果都是建立在“弦理论如果是正确的基础上”这句话的上面，可是如果它不成立呢？我们投入的这么多人力物力和智慧的头脑竟将最终收获一座倒塌的科学大厦的废墟。当然，从科学的进化上来说，做出错误的决断也并不坏事，至少帮人们排除了一个错误的可能。但是如果最终证明，人类把全部的鸡蛋都放在一个露底的篮子里，那将是多么可惜的事情。根本用不着三体人来锁死我们的科技，我们自己就停滞了30多年的科研时光。
和任何需要开创性的事物一样，科学更需要创意。创意未必是一个好东西，它有时会是很不靠谱的。科学共同体存在的必要性，就在于对于那些靠谱的不靠谱的科学成果给予相应的评价，甚至可以是在几百年后为它再正名。可是这种创意的来源，只能是有着锐意进取头脑的中青年人。老教授们为科学把关是正得其所，让他们再创造新的革命未免有些强人所难。顶尖的数学家做出的改变世界的成果都是在他们年轻的时候，真的功成名就了，反倒很少有人还能做出惊人的言论。从物理的发展史话来看，似乎也有着这样的年龄魔咒。也许理论物理学界至今没有突破对于弦理论描述的难题，就是因为他们都老了，或是迷恋老人了。随着当代科研的规模越来越庞大，数学家和理论物理学家想要靠一支笔坐在办公室里做出什么东西来真的是越来越难，那种智力竞赛的浪漫气氛也在当代科学界越来越淡。我本身做过几次工科类的科研，正如斯莫林所说，工艺师的成分远远超过了预言家的成分。说实话，我当时认为即使是一个经过一定培训的普通工人也能够胜任这样无聊的科研工作，何须研究生？当然，研究生的工资也许更便宜一些。但是正是因为科研的逐渐正规化使得它的蓬勃朝气也在日渐官僚的氛围中凋零，真正为科研着想的出资机构，也许真的应该考虑一下斯莫林的建议给更多编外人士一点机会。从人类历史上看，野路子的人搞出赖以进步的发明并不是罕见的现象。
当然，斯莫林的意见还不够完整。在先破之后，他没有再立起来。这个世界应该是什么样子是很好描述的，可是野路子高人的遴选、新方向的跟进，又哪里是一句话这么简单的事情。我们究竟应该采取什么样的标准来衡量这些不在体系内的，无法量化的优势？如果我们定下了一个标准，又怎么保证原本如同量子云般弥散的所有的可能性不会坍缩在这个标准的方向上？从这个角度看来，稀缺性永远是人类无法摆脱的魔咒。

视野宽阔，见解深刻

神奇的大自然 2016-08-15 1

从逻辑上讲，这本书的结构应该是批判当今科学的社会学问题，然后弦论与其他非主流理论的关系是一个例子。然而出于作者自己的目的，这个例子被安排成了一个巨大的例子。对科学存在问题的批判似乎没有受到很多关注和质疑，而这个例子不出意料引发了广泛的争议（包括Polchinski, Sean Carroll）。下面就按照书中的顺序，谈谈几个重要的地方和有意思的地方。

----------------------------------------------------当今物理学的任务--------------------------------------------------

一开始作者就列出了一个问题的单子（可能是学着Hilbert?），而且给出了有见解的评论：

Problem 1: Combine general relativity and quantum theory into a single theory that can claim to be the complete theory of nature.

为什么我们需要统一？首先是因为大自然本身就是一个整体，我们决不能有两个覆盖不同现象的毫不相关的理论。其次是因为两个理论都存在各自的无穷大，说明它们都不能当做终极理论。不过这里的论证并不严密，为什么大自然是统一的就要求理论也一定是统一的？广义相对论与量子理论在它们重叠的地方（经典极限）并没有冲突。过去的成功给了当今尝试统一的物理学家很大的信心，不过没人能保证理论的确是可以统一的，没人能保证人类可以把所有的物理现象都解释成一个内核的不同侧面。

Problem 2: Resolve the problems in the foundations of quantum mechanics, either by making sense of the theory as it stands or by inventing a new theory that does make sense.
作为一名坚定的realist，作者相信量子力学是不完备的，并且提出了三种解决的可能：

    1. 找一种语言，将系统与观察者的划分作为理论的基本特征；
    2. 重新解读方程，以满足实在论；
    3. 创立新理论。

在前两种尝试屡屡受挫时，作者相信最终的解决很可能是第三种情况，而且这个问题不会是被独立地解决，而是伴随着对其他问题的洞察。

Problem 3: Determine whether or not the various particles and forces can be unified in a theory that explains them all as manifestations of a single, fundamental entity.
作者首先区分了两种理论（following Einstein）：

    1. theories of principle: set up the framework. should be universal and unified: QM & GR.
    2. constructive theories: describe particular phenomenon in terms of specific models or equations: Maxwell EM & Dirac electron theory.

Constructed theory is not necessary to be universal: QED does not exclude the existence of dark matter.
作者认为统一 theories of principle是必须的，而没有逻辑上的必然要求力也是统一的。

Problem 4: Explain how the values of the free constants in the standard model of particle physics are chosen in nature.
标准模型没有无穷大的问题，但是可调参数太多。

Problem 5: Explain dark matter and dark energy. Or, if they don't exist, determine how and why gravity is modified on large scales. More generally, explain why the constants of the standard model of cosmology, including the dark energy, have the values they do.
暗物质和暗能量可能是当今物理学实验带来的最大挑战了。

---------------------------------------------------历史上一些统一的尝试----------------------------------------------

统一理论中被历史埋没的尝试： 1914年Nordström通过增加额外维统一了牛顿引力和电磁场； 1918年Weyl提出了一个数学上很漂亮的统一引力和电磁力的理论，并首先提出了规范原理的思想，不过在这里物体的长度取决于运动路径； 1919年Kaluza复活了Nordström的想法，在五维广义相对论中引入电磁力。30年代还有不少物理学家尝试统一引力和电磁力。到了40年代，Einstein和少数还在追求统一场论的人就成了大家的笑柄。很多理论中蕴含着一些后来弦论思想的萌芽，不过另一个可能的潜台词就是：A beautiful theory is not necessary to be real.

接下来作者介绍了弦论的发展史，最终得到弦论对五大问题基本无能为力的结论。不过更重要的收获来自下面这个部分，跟随一位活跃的内行，可以领略到近些年物理学中的很多新思想。

-------------------------------------------------------弦论以外的新思想-------------------------------------------------

实验方面（对现有理论进行检验的一些实验）：

GZK预言：宇宙射线的能量如果高于π的能量，就会同CMB的光子发生相互作用。所以我们能探测到宇宙射线能量的上限是10^10GeV。这会给以狭义相对论为基础的量子场论以检验，Auger正在进行精密的测量。

通过对γ射线暴的观测可以检验光速是否与频率无关。

对质子衰变的观测将挑战标准模型。

理论方面：

与宇宙学常数相关的尺度是R尺度，约为10^26m（查了一下资料，与书中略有不同）。这个尺度远大于我们熟悉的任何尺度，因而有可能蕴含着新物理。根据scales match（大小相当的尺度上发生的两件事很可能相互影响），值得看看这个尺度上的其他现象。换算成加速度约为 10^-9m/s^2（宇宙膨胀的加速度），这很接近恒星围绕星系旋转时加速度的尺度 10^-10m/s^2 ，因而暗物质可能与暗能量相关，或二者有着共同的起源；换算成质量，则与中微子质量差的尺度相当（我算了一下发现似乎远小于质量差的尺度）。

对狭义相对论的修正：Giovanni Amelino-Camelia基于普朗克长度也应该是Lorentz不变的，提出了doubly special relativity。不过这里有个问题，普朗克长度可以理解为标定广义相对论有效范围的尺度（如果认为c和h是基本的），那么有什么理由赋予这个尺度这样的特殊性（Lorentz不变）？ Moffat也作出了类似的工作。后来作者与João Magueijo合作，提出了另一种协调可变光速与相对性原理的理论DSRII。在这个理论中，能量越高的光子速度就越快。因此早期宇宙光速很高，也就没有必要引入暴涨来使宇宙达到平衡了。

圈量子引力（LQG）：最重要的三个特性是： 1. space is emergent; 2. the more fundamental description is discrete; 3. this description involves causality in a fundamental way.

Twistor theory(Penrose): 事件不是基本的，而事件之间的因果关系是基本的。问题：无法量子化，也没有办法包容广义相对论。

非交换几何（ Alain Connes）： if you take Maxwell's theory of electromagnetism and write it on the simplest possible noncommutative geometry, out pops the Weinberg-Salam model unifying electromagnetism with the weak nuclear force. In other words, the weak interactions, together with the Higgs fields, show up automatically and correctly. 这说明非交换几何很可能是描述电弱理论的正确语言。

接下来这部分达到了本书的高潮：

--------------------------------------------------------科学的社会学---------------------------------------------------

作者在这部分套用Feyerabend的思想，论证了为什么当今科学界是不健康的：主流理论过度抑制了其他方向的发展。

Feyerabend的主要思想是抨击了逻辑实证主义与证伪主义。否定一个理论并不是容易的事。比方说一个理论被否定后，科学家会改变对实验的解释，从而坚守住理论。Lakatos有一个十分形象的比喻，"If you see one bright red swan, you are not likely to give up a theory that says that all swans are white; you will instead go looking for the person who painted it." 这种坚守有时候是对的，有时候不对，如何才能知道自己处于那种情况？Feyerabend说：你不可能知道。在紧要关头时，科学家会在紧要关头打破法则而取得进步，这就从总体上攻击了方法决定科学进步的思想。

作者深受Feyerabend以及他的思想的影响。Feyerabend告诫他很多时候我们没法先验地判断哪种方法是正确的，所以就去做自己认为是对的：You have to fight for what you believe. "Just do what you want to do and don't pay any attention to anything else. Never in my career have I spent five minutes doing something I didn't want to be doing."既然没法知道那种科学方法是正确的，我们就要鼓励各种不同方法的发展。

另一方面，作者也受到了Kuhn关于normal science和revolutionary science不同范式的区分的影响。他对当前物理学界形势的判断是：我们正处于革命期，但却用着常规科学的方法（实用主义）。粒子物理的标准模型与宇宙学的标准模型可能是常规科学所能达到的极致了。

基于以上理论，作者提出了自己的观点。科学（像民主一样）之所以存在争论，主要是因为我们要依靠不完备的信息提出理论，这就导致了不同的派别。如何能够让不同的派别协调工作？这就需要对道德规范的忠诚，是谓ethic；但这不足以将科学群体同宗教群体区分开来，我们还需要a belief in the inevitability of progress和an openness to the future，是谓imaginativeness。我们知道会达到一个更好的未来，但是不知道如何达到。比方说Marxism和religion就不具有这个特点。Ethic要求当证据迫使我们达成共识时我们就该达成共识。而Imaginativeness要求达成共识之前，我们应该鼓励存在各种不同的观点。当今科学体制的问题正是在于主流理论抑制了其他理论的发展，这是本书的主要论点。（由此看来，作者似乎并没有达到Feyerabend的境界）

某种意义上说，科学的演进与物种的演化有些相似。对于一个物种来说，是遗传更重要，还是变异更重要？这取决于从哪个角度来看待问题。对于一个物种的存续而言，遗传无疑是最重要的，然而只有遗传的物种是不可能进化的，所以变异也是重要的。但是相比之下，遗传具有基本的重要性，这也是为什么基因突变一定要求是少量的，低频的，否则一个物种的生存都将成为问题。换句话说，收益总是正比于风险的。科学也是一样，我们需要多数人从事低风险的工作来维系科学的大厦，也需要一些人去冒险寻找理论的突破。至于一个人选择了哪条路，就要看他的个人特质了。

从另一个角度来看，当多数人都发现一种理论可能会比较靠谱时，自然会有大量的资源流进这个领域，使其迅速发展。这有点儿像是我们按照预期的赔率下赌注，我们预期的赔率可能是错误的，但就我们已知的信息而言，这是最佳策略。如果我们放弃了对主流理论的支持，这些资源可能就会分散给各个小领域，其中某个潜在的方向，未来会被证实是正确的，但是由于资源的分散，这个方向发展的也会很慢。只要人们对各个理论的判断有高有低，我们分配的资源就会有多有少，最后我们都要为曾经的判断买单。

其实类似的讨论在国内也经常会见到。很多人批评我们国家过于重视大项目、大课题，而忽视了一些冷门的原创性科研，培养出了大量的科研民工而没有具有独立自由思想的原创性科学家。这可能是因为我们常常过于强调科研方法对科学水平的影响，而忽视了科学水平也在一定程度上决定了科研方法。在一个国家的科学刚刚起步，需要迎头赶上时，集中力量办大事无疑是一个捷径。因为在整体科学素养不足时过度强调创新性，很可能带来所谓“民科”的风气。然而这种策略当然不能成为长久之计。这其实不仅仅局限于科学领域，比方说建国初期百废待兴时，计划经济具有更强大的调度资源的能力，使得我国得以在短时间内在国防与重工业等方面迅速恢复元气，但这并不适合今日的发展。

---------------------------------------------------------------结语---------------------------------------------------------

社会学问题可能会长期存在，而物理学一直在发展，现在已俨然不是十年前成书时的格局，甚至可能相反。弦论的PhD出来很可能找不到postdoc或教职岗；据说前不久在北京举办的弦论大会也大都在讨论弦论以外的内容。这正应了Sean Carroll对本书评论中的话："String theorists are made, not born; they are simply physicists who have decided that this is the best thing to work on right now, and if something better comes along they would likely switch to that. ... If a latter-day Green and Schwarz were to produce a surprising result that convinced people that some alternative to string theory were more promising, it wouldn’t take long for the newcomer to become dominant. Alternatively, if another decade passes without substantial new progress within string theory, it’s not hard to imagine that people will lose interest and switch to other problems."

最后附上一些关于本书评论的链接。Polchinski的评论侧重于物理（包括Cosmological constant, background independence, AdS/CFT等几个比较有争议的问题），Carroll的评论则两方面都有讨论。

Polchinski on Smolin:
http://www.americanscientist.org/bookshelf/pub/all-strung-out

Smolin on Polchinski on Smolin:
http://leesmolin.com/writings/the-trouble-with-physics/dear-friends/

Polchinski on Smolin on Polchinski on Smolin:
http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2007/05/21/guest-post-joe-polchinski-on-science-or-sociology/#.V6-JNvkrJD8

Sean Carroll on Smolin:
http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2006/10/03/the-trouble-with-physics/

物理学的困惑

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