科学家常常因为追求美而走向真理(科学理论美举例)

网友提问:

科学家都喜欢“优美”的理论,但优美的理论一定正确吗?

优质回答:

科学家是一种称谓,也是一种工作。他们也要追求工作绩效和个人成就。所以很多理论并不见得都是完美的,甚至在一定时间和现在限制阶段的理论是暂时“优美”而已。

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为什么科学家不能自己给美下个定义呢?他们或许是可以的,说不定还应该这样做。即使他们选择的新标准有狭隘之嫌,如果对“美”的狂热崇拜不会动摇实验证据的首要地位的话,似乎也没那么坏。在科学上,不论你是名扬海外、学富五车还是著作等身,如果你的理论不符合大自然的实际,它就只能成为历史。但如果只有实践是检验理论的最重要标准,为什么要让“美丽”这种定义模糊的东西进来横插一脚,成为额外的仲裁者呢?

“优美理论”的拥护者可能会说,从过往经验来看,真实的理论往往是优美的。广义相对论确实既真实又优美,但其他的理论可不一定,四色定理就是个例子:这个定理的内容是你可以只用四种颜色来填充所有地图,使任意相邻的两区域颜色都不相同。1879年,英国数学家Alfred Kempe似乎发现了一个证明——这个证明十分优美,因此在出现之后的10年内被广泛接受,但它是错的。该定理现在的证明丑陋极了,它依赖于简单粗暴的计算机大规模搜索,以至于有些数学家拒绝接受这个证明是有效的——但可能事情的真相就是这样。而数学上出名的费马大定理也是如此:该定理本身的表述极其简洁而优雅,可它的证明(由数学家Andrew Wiles于1993年提出)却长达100多页,比巴黎的蓬皮杜中心(Pompidou Centre,法国前卫艺术的中心,以建筑奇特而知名)还要复杂,跟简洁和优雅完全沾不上边。同样,没有任何迹象表示存在比这更简单的证明。

只要我们仔细研究一下科学史,就不难发现有的证明和理论很优美,但实际上是错误的,而有的正确理论却极其复杂。从来没有人证明优美一定和正确相挂钩。过于相信“优美”,也就是所谓优雅的简洁,可能会使我们的探索偏离方向。在化学这个为数不多的我自信有相当了解的科学领域,有这样一个事实:疏水颗粒浸没在水中时会彼此吸引。1959年,有人提出了一个解释,说这是熵的作用产生的效果,疏水分子聚集在一起的时候无序度(即熵)更高,而大自然总是倾向于向无序度更高的方向前进。这个解释如此简洁而令人满足,以至于一直到今天还在继续流传,但很遗憾实验数据表明它是站不住脚的,而真正的解释极为复杂冗繁。

对于生物学家来说,自然选择原则也是个极美的思想:它的简洁性和巨大威力,将充斥着矛盾与警报的世界变得秩序井然。可能就是出于这个原因,让他们不惜一切代价维护这一理论,以至于一旦有人提出该理论的局限性、例外,或是妥协让步,都会引起近乎宗教式狂热的纷争。

认为简洁引导着真相,换句话说就是认为“奥卡姆剃刀”原理(简单即有效)是了解自然的有力工具,但这只是科学共同体内一部分人内部的约定俗成罢了,上面提到的例子也表明,它并不一定正确。或许这只是一个逻辑上的假设,建立在“所有其他条件都相同”的情况下,但在现实的科学中,哪有真正的“所有其他条件都相同”呢?大多数时候,这些实验会支持这个理论,那个实验会支持那个理论,无法以“简约”作为标准进行裁决。

而可以确定的是,至少在审美方面,简洁不是必需的要素。在音乐和视觉艺术上,似乎存在着一个最佳的复杂度水平,不管是低于它还是高于它,审美者的喜爱程度都会下降。换句话说,欣赏程度随着复杂度呈倒“U”形变化,这就是为什么喜欢披头士的人要多于“一闪一闪亮晶晶”,也多于20世纪法国作曲家皮埃尔·布列兹(Pierre Boulez)所创作的复杂诡异的钢琴作品。对大多数人来说,我们的品味天然地对过于极端的作品敬而远之。

阿尔卡尼-哈米德以及其他物理学家极其珍视必然性和简洁性,但讽刺的是,对大自然背后“终极理论”的探寻,却前所未有地远远偏离了这两个原则。万有理论的候选——弦论现在有不少于10^500个变体,或许在将来会出现一个像爱因斯坦一样的天才,从这10^500个理论中找出正确的那一个,但至少现在追寻优雅的终极理论的物理学界还处于一片茫然之中。

坚持认为美的就该是真实的,可能还会让科学家陷入一个危险的循环中,以为真实的都应该是美的。很多化学家认为由原子电子分层排布所决定的元素周期表在形式上应该是美的,而在目前通用的平面方格周期表上氢元素和镧系、锕系等元素却出现了不和谐的“凸起”,许多化学家因此尝试了各种各样新的周期表结构,包括螺旋形、超立方体形、金字塔形等等,妄图找到柏拉图式完美的元素周期表,但这看起来已经更像一种无谓的坚持。

但尽管如此,我也不希望科学家完全抛弃对美的追求。在科学中,任何能激发灵感的想法都是宝贵的,如果对美的追求——当然,指的是科学意义上,而非艺术意义上的美——能激发科学家的灵感,不妨继续保持下去。而如果追求美的过程让科学家从居高临下的讲坛上下来,提供了一个让科学与艺术对话的机会,那就更好了。我只是希望科学家能意识到一点:他们在“美”(beauty)这个原本模糊而日常的词语上附加了太多他们自己的要求。与其像伊恩·麦克尤恩一样接受这种对美的新定义,我更希望能有艺术家站出来提醒他们:“不,你们所说的美与我们的美毫无干系。”

如果想要让科学中的美与艺术的审美产生真正的联系的话,我希望纯粹从人的方面来找寻:精妙的实验设计、优美的理论逻辑、清晰的阐释、富有想象力的推理。这些要素不是一个理论正确、一个实验成功,或是一个解释让众人着迷的关键,但它们无疑是可爱的。和真理或自然不同,“美”是由我们人类自己产生的

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