物理學基礎研究正停滯不前：并不正常

北京時間11月28日消息，如今的物理學基礎研究是一潭死水。一個又一個實驗返回的是毫無意義的結果：沒有新的粒子;沒有新的維度;沒有新的對稱性。沒錯，數據中可能存在著這樣或那樣的異常，其中有些最終會成為真正的大新聞。但是，實驗物理學家們只是在黑暗中摸索。他們不知道新的物理學會出現在哪里，而從事理論工作的同事并不能提供多少幫助。

關于物理學基礎研究的停滯，問題不在于實驗，而是在于理論物理學家的大量錯誤預測。

有些人認為這是一場危機。但我不認為“危機”并不能很好地描述當前的形勢：“危機”這個詞太樂觀了。這個詞給人的印象是，理論物理學家們意識到了他們的方法錯誤，并開始嘗試改變;換句話說，他們正在覺醒，并將放棄有缺陷的方法。然而，我沒有看到任何覺醒。這一學術共同體的自我反思微不足道，甚至可以說完全沒有。他們做的是40年來一直在做的事情，喋喋不休地講述自然性和多重宇宙，然后(再一次)將他們的“預測”轉移到下一個更大的粒子對撞機上。

我認為“停滯”這個詞能更好地描述這一狀態。讓我明確一點，關于這種停滯，問題不在于實驗，而是在于理論物理學家的大量錯誤預測。問題也不是我們缺少數據。我們擁有大量數據。但是，已有的理論——粒子物理學標準模型和“和諧宇宙模型”(cosmological concordance model)——已經對所有數據進行了很好的解釋。不過，我們知道情況并非如此。現有理論是不完整的。

之所以這么說有兩個原因。首先，我們知道暗物質只是用來描述某種我們不理解的東西的臨時名;其次，粒子物理學的數學公式與我們用來研究引力時用的數學并不兼容。早在20世紀30年代，物理學家就知道了這兩個問題。直到20世紀70年代，他們取得了很大的進展，但自此之后，物理學基礎理論的發展就停滯了。如果實驗中發現了什么新東西，那并不是因為有成千上萬的錯誤預測，而只能說是“盡管”有這些錯誤預測，仍然取得了進展。

成千上萬的錯誤預測聽起來很驚人，但其實還是低估了。我只是總結了對物理學的預測，這些預測超出了大型強子對撞機(LHC)應該發現的標準模型：所有具有多種形狀和構造的額外維度、所有的對稱群，以及所有名稱很花哨的新粒子。你可以通過統計論文，或者統計在該領域工作的人數和他們的平均產出來估計這些預測的數量。

他們都錯了。即使在大型強子對撞機尚未獲得的數據中能發現某些新的東西，我們也已經知道，理論物理學家的猜想并不成立。一個都沒有。他們還需要多少證據才能證實他們的方法不能成功呢?

這一缺乏進展的漫長階段是前所未有的。沒錯，從古希臘哲學家德謨克利特首次提出原子的猜想，到它們真正被探測到，花了大約兩千年時間。然而，這是因為在這兩千年時間里，人們除了思考物質的基本結構之外，還有許多其他事情要做，比如建造更加牢固的房屋。因此，援引年代學時間是沒有意義的。我們更應該看看物理學家實際的工作時間。

對此，我也可以為你列出一些數字。是的，我愛數字，它們是如此的真實。

根據美國物理學會和德國物理學會的會員數據，在1900到2000間，物理學家的總數增加了大約100倍。這些物理學家中絕大多數都不是從事基礎物理學的工作，但就出版活動而言，物理學的各個子領域都以大致相當的速度增長。而且，(撇開第二次世界大戰前后的變動)出版物的數量和作者的數量基本上都呈指數性增加。

現在，為了簡單起見，讓我們假設今天物理學家每周工作的時間和100年前的物理學家一樣長——考慮到增長是指數級的，細節并不重要。然后我們可以問：如果從今天開始算，多長時間的工作量能相當于100年前開始的40年的工作量?好好猜一下!

答案是大約14個月。只按工作時間來看，今天物理學家應當能在14個月里完成一個世紀前需要花40年才能做到的事情。

當然，你可以質疑這種“進步”不能如此簡單地擴展，因為盡管大家都在談論集體智慧，但研究畢竟都是個人完成的。這意味著，僅僅雇傭更多的人，并不能任意減少研究時間。個人也需要時間來交流和理解彼此的見解。另一方面，我們已經大大提高了信息傳輸的速度和便利性，我們現在還利用計算機幫助思考。無論如何，如果你想爭辯說雇傭更多的人并不能有助于進步，那為什么還要雇傭他們呢?

所以，不，我對這一估計并不認真，但它解釋了為什么許多人不知道目前這種前所未有的停滯現狀。今天我們對基礎物理學的投資比以往任何時候都多，但沒有產出任何東西。這是個問題，而且是一個我們應該談論的問題。

最近有人跟我說，利用機器學習來分析大型強子對撞機的數據標志著科學共同體正在反思。但事實并非如此。首先，粒子物理學家運用機器學習工具來分析數據已經有至少30年時間。他們現在用得更多，是因為更容易用，因為所有人都在用，還因為《自然-新聞》對此作了報道。因此，不，粒子物理學中的機器學習并不意味著反思。

另一個我必須經常忍受的評論(而非問題)是，我只是在抱怨，但對物理學家應該做什么沒有任何更好的建議。

首先，這是一個愚蠢的批評，它讓你更關注批評者而不是被批評者。假設我不是在批評一群物理學家，而是一群建筑師。如果我告訴公眾，這些建筑師花了40年時間建造的房屋都倒塌了，那么，為什么是我來負責想出更好的房屋建造方法呢?

其次，這一批評是錯的。我已經多次非常清楚地指出，理論物理學家應該做出什么改變。只是他們并不喜歡我的答案。他們應該停止嘗試解決不存在的問題。一個理論不漂亮并不是問題。我所說的，是應該專注于數學上定義明確的問題。而且，看在老天份上，不要因為科學家忙于同事間流行的工作而獎勵他們了。

我的這一建議并非沒有根據。如果你審視物理學的歷史，你會發現這門學科致力于解決能夠帶來突破的數學難題。看看科學的社會學，你會發現糟糕的激勵手段會導致嚴重的低效率;你再看看科學的心理學，就知道沒有人喜歡改變。

開發新的方法比發明數十種新粒子難得多，這也是他們不喜歡我的結論的原因。任何改變都會減少論文產出，而他們不希望這樣。這種阻力并不是來自制度壓力，而是科學家自己不愿意挪動屁股。

也許你會問，他們還能堅持多久?他們的理論“傳說”還能持續存在多久?我覺得，恐怕沒有什么能夠阻止他們了。他們互相評審論文，互相評審基金申請，并且不斷告訴彼此他們做的是好科學。他們為什么要停下來?對他們來說，一切都很順利。他們舉辦會議，發表論文，討論偉大的新想法。從內部來看，一切如常，只是沒有什么有價值的結果出來。

這不是一個會自行消失的問題。(任天)

作者簡介：薩拜因·霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)是德國法蘭克福高等研究所的理論物理學家，研究領域涉及標準模型、量子引力現象和廣義相對論的改進。如果你想了解更多物理學研究中存在的問題，可以閱讀她的著作《在數學中迷失：美如何使物理學誤入歧途》(Lost in Math： How Beauty Leads Physics Astray)。