视野宽阔，见解深刻
2016-08-15
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/
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