如同把大象装进冰箱——颠覆主流科学理论的三

　　天选人类文明能走到今天，科学事业的进步是源动力之一，伴随着很多天才人物的划时代贡献，一次又一次的从根本上改变了我们对这个世界的认识。每一代的科学家都试图在前人的基础上想要更加深入的认识自然界的本质，提出一些新的，甚至是颠覆性的理论，而这样的尝试可能成功，也可能是完全错误。那要如何来判断新理论是否成立呢？理论天体物理学家 Ethan Siegel 认为，这个过程只需三步。

　　广义相对论曾预测“虫洞”的存在，这是时空中两个不同的、互不相连的事件之间可能发生直接联系的一种方式。

　　科学与宗教最大的不同之处在于它从来没有止步不前，从来不会宣称自己洞察了宇宙所有的真相和奥秘，只是谦虚的表示一个成功的科学理论可以回答一些问题，可以准确描述一些自然现象，可以做出一些可靠的预测，但它从不否认自身的局限性，超出一定范围和条件之后，没有任何一种理论能够描述和解释所有的现象，回答所有的问题，比如牛顿力学在极小(量子)尺度和极高(相对论)速度下不再适用；爱因斯坦的广义相对论在一个奇点处瓦解了；达尔文的进化论在遇到生命起源问题时束手无策。

　　在牛顿的引力理论中，围绕单个大质量天体运行的轨道应该是完美的椭圆形。然而，在广义相对论中，由于时空的曲率，还会有一个额外的进动效应，这导致轨道随着时间推移而移动，称为轨道进动。水星表现最为明现，它以每世纪1/3600度的速度进动。

　　所以更准确的说法是我们今天拥有的理论模型只是我们对现实的最佳近似，因为在任何时候都存在一些主流理论无法解释的现象，从宏观到微观，从地球到宇宙都是如此。而如果新一代的科学家用新方法来重新阐释这些问题，结果不仅可以解释之前无解的问题，对有解的问题也同样能给出更深刻的见解，那么科学革命就发生了。以前发生过，以后也一定会再次发生。

　　我们有一系列非常成功的理论，但是每个理论的适用范围都从根本上受到限制。在每个领域，我们都有可以观察的现象或可以设计的实验，然而很多理论的预测与事实不符或者人们为了自圆其说会产生无稽之谈。还有很多问题甚至不知道该用什么理论来解释，比如：

　　标准模型粒子及其超对称对应物。这些粒子中略低于50%已被发现，略高于50%从未显示出它们存在的痕迹。超对称是一个有希望的想法，但是尚未得到验证。

　　因此科学的世界永远欢迎新的想法，即使你宣称要颠覆那些最主流的理论也不是问题，只需做到以下三件事就成功了：

　　重现目前理论已经取得的成功，也就是说现行理论能解释的问题新理论同样能够解释

　　给出与众不同但是可以通过观察和实验设计来验证的理论预测，就像广义相对论预言黑洞的存在，或者吴健雄设计能够证实杨振宁李政道理论的实验。

　　主流理论越成功，实现这一目标的难度就越高。比如如果想要颠覆爱因斯坦的广义相对论，那你得解释一下这些现象：

　　两个黑洞螺旋和合并发出的引力波的数值模拟。每个黑洞周围的彩色轮廓代表引力辐射的振幅;蓝线代表黑洞的轨道，绿色箭头代表它们的自旋。通过弯曲时空区域加速一个质量的行为总是会导致引力波的发射。

　　广义相对论已经得到验证的领域是非常广泛的，从地球上的桌面实验到太阳系规模的观测，再到星系、星系团和宇宙网的宇宙尺度测量，新理论至少必须做好这一点：在主流理论已经成功的地方也同样能解决问题。

　　虽然要做到这些事情的确不容易，但是这确实仅仅是个开始。如果连“旧”理论能做到的事情也无法轻松搞定，谈何超越呢？

　　新的理论出现时，谁也不知道它是开创性的创新还是又一次失败的尝试，我们只能通过将一个理论和另一个理论进行对比，并测试哪一个更符合真实世界发生的情况，来判断哪一个理论更好。这个过程通常是渐进的，反复的，因为找到符合真实的规律真的很难：

　　爱因斯坦的广义相对论能够解释光线在强引力场中弯曲，而牛顿的经典力学不能。

　　内太阳系中行星的轨道并不完全是圆形的，但它们非常接近，水星和火星的偏离最大，椭圆度最大。在19世纪中叶，科学家们开始注意到水星运动与牛顿力学预测的偏离：差异很小，但测量结果非常准确，以至于这种差异不容忽视，因此如何解释这个现象就成为了一个新问题。

　　毫无疑问，新理论的出现总是希望解决那些目前无法解释的问题，但是在试图解决难题而提出一些“创新”或者说“怪异”的理论时，得注意新理论必须能同时兼容已解决的问题，而不是乱砸承重墙强行把难题塞进理论大厦后，发现整个大厦要塌了。比如历史上为了解决水星轨道进动的问题，许多假说都曾流行一时：

　　一个假想是存在一颗比水星更靠近太阳的行星——被称为火神星——由Urbain Le Verrier提出，用来解释水星轨道的异常。

　　纽科姆和霍尔则试图修改牛顿定律的公式，认为引力随着距离的增加而减小，而不是距离的平方增加而减小，这样就可以解释水星的问题。他们提出的公式是引力与距离的2.0000001612次方成反比。

　　最后，爱因斯坦完全抛弃了牛顿，用弯曲的时空来代替他的“距离作用”的引力。

　　所有这些想法都被认真地考虑过很多年，因为它们确实不是随便乱说，而是能够逻辑自洽能说的通的理论，于是第三步的重要性就凸显出来了：很多新理论实际上是提出了某种预测性的猜想，这些预测是否能被证实或者证伪就成了检验新理论的关键。

　　如果太阳的日冕很大，我们应该探测到比观测结果一致的更大的粒子/物质密度。

　　如果纽科姆和霍尔的引力理论是正确的，它将以与观测结果不匹配的方式影响月球、金星和地球的观测轨道。

　　如果爱因斯坦是正确的，那就意味着，当空间被质量弯曲时，背景光源应该沿着弯曲的路径而不是直线路径。

　　前三种理论都被观测事实所推翻了，而爱因斯坦的理论经历了一次重要的验证：根据广义相对论，对于任何质量都可以精确地计算光路被弯曲的程度，越大的质量越容易观察到弯曲。事实上，我们天选团队的太阳系中有一个非常大质量的天体：太阳。如果爱因斯坦的预测是正确的，那么日全食可能是测试它的最佳时机。

　　1919年，在爱丁顿对日全食的观察发现了光线在大质量天体附近的弯曲，这是爱因斯坦引力理论的首次观测验证。

　　而在那之后的一百多年里，广义相对论经历了许多的的考验，它都顺利通过了测试。类似的，在各个领域经受住实验和观测检验的理论构成了目前的科学大厦， 这并不是因为描述这些理论的数学形式非常美妙，也不是因为它们与我们的直觉非常吻合，而是因为它们成功的描述了我们所观察到的自然现象。

　　随着现代科学已经成为一项充分发展、积累丰厚的事业，从头建立一套解释所有观测数据和历史数据的单一理论成为了一项更加艰巨的任务，但是这正是最成功的理论所应有的表现：在非常大的有效性范围内详细地解释如此多的数据。因为我们必须始终牢记这一点：无论一个理论在过去多么成功，只需要一个不一致的观察就可以使整套理论陷入危机。我们今天最伟大的科学理论很可能在未来的某一天被取代，因为我们正在以前所未有的质量、范围和精度在收集我们对自然界的观察结果，其中依然有很多无法解释的现象：

　　基于原子的物质存在以及生命由此产生的事实不可否认，但这种物质（而不是等量的反物质）来自哪里以及生命如何从中产生仍然是巨大的未知数。

　　这些谜题和悖论，以及许多其他谜题和悖论，可能预示着最终的，甚至是根本性的科学革命。

　　在小说《三体》中，通过冷冻技术“穿越”到二百年后的物理学家丁仪曾经悲哀的表示：我这个二百年前的人，这些年来居然还能在大学里教物理，带博士生。他的意思是物理学在二百年的岁月中都没有太大的进步让他感到悲哀。而在现实中，以爱因斯坦为代表的物理学“众神时代”已经过去了一百年，虽然后人已经将他们开创的理论体系不断拓展和深化，但依然是在沿着他们的道路在前进。新的基础理论的颠覆性突破还会发生吗？对此，您怎么看？不妨留言与大家分享。