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只需三个步骤就可推翻科学理论?

科学就像生活中的许多事情一样,总是在进行中。虽然成功的科学理论有一些问题可以回答,自然现象可以准确地描述,以及它能做出有力的预测,但它在任何时候都是有限的。任何理论,无论多么成功,都有有限的有效性范围。在这个范围内,理论可以很好地描述现实;但走出这个范围,其预测不再与观察或实验相匹配,这对于任何理论都是正确的。

当来自遥远引力波的涟漪穿过太阳系(包括地球)时,它们就会稍稍压缩并扩展周围的空间,由于在这个领域的测量结果,可以非常严格地限制替代方案。图片:EUROPEAN GRAVITATIONAL OBSERVATORY, LIONEL BRET/EUROLIOS

博科园-科学科普:牛顿力学在小(量子)尺度和高(相对论)速度下崩溃,爱因斯坦的广义相对论在奇点处失效,达尔文的进化论在生命起源时崩溃了(生命刚诞生何谈进化?)。即使我们今天最好的理论也可能被明天的科学所取代,事情是怎样发生的的呢?当然如标题所述只需三步就能推翻某科学理论,但事实并非那么简单,任何一个新生或试图推翻已有的理论,走完这三步的算是成功了,反之也是失败的理论!

16世纪最大的谜团之一是行星是如何以一种明显逆行方式运动。这可以通过托勒密的地心模型(L)来解释,也可以用哥白尼的日心说(R)来解释,然而把细节精确到任意精度却是都无法做到。尽管这两种模型都很有趣,但如果发现另一颗新行星,谁也不会有太多的发言权。图片:ETHAN SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

那么如何用三个步骤推翻科学理论呢?

第0步:认识到成功和失败的主要理论(这不算三个步内)

众所周知,科学理论的圣杯就是所谓的万物终极理论。这是爱因斯坦的终极梦想,也是许多其他领域科学家的梦想。这样的理论可以在给定的初始条件和条件下预测宇宙中的所有自然现象。可以预先计算任何实验设备的结果;可以预测任何系统在未来会如何任意发展;将面临的唯一限制是没有任意数量的计算能力,而不是任何理论上的限制。

标准模型粒子和对应的超对称粒子,这些粒子中略低于50%的被发现,略高于50%的从未显示出它们存在的痕迹。超对称是一种希望在标准模型上得到改进的想法,但它还没有达到“第三步”,试图取代主流理论。图片:CLAIRE DAVID / CERN

但还没有到那一步,我们并没有一个万能的理论;有许多非常成功的理论,但本质上是有限的。在每一个领域都有可以观察到的现象或可以设计的实验,我们最好的理论预测要么与数据相矛盾,要么就会产生无意义的结果。此外经常出现的问题或谜题无法用理论来解释。

为什么中微子有质量?为什么宇宙由大量的物质组成,而不是反物质?当一个电子穿过一个双缝时,它的引力场会怎样?为什么基本常数有它们的值呢?人们观察到一种无法解释的现象,却没有理论来预测它,这往往是科学革命的推动力,这也是我们的出发点。

在牛顿的引力理论中,轨道在单个大质量物体周围形成完美的椭圆。然而在广义相对论中,由于时空曲率的存在,还有一个额外的旋进效应,这使得轨道随着时间的推移而改变,这种方式有时是可以测量的。水星以每世纪43'的速率下降;OJ287中较小黑洞以每12年轨道39度的速率运行。图片:NCSA, UCLA / KECK, A. GHEZ GROUP; VISUALIZATION: S. LEVY AND R. PATTERSON / UIUC

第1步:复制主导理论的所有成功

那么就有了一个新的理论,你希望它能取代目前领先的理论吗?首要任务是证明新理论不会在旧的理论成功的地方失败。流行的理论越成功,达到这个目标的要求就越高。例如:想要取代广义相对论,就必须解释引力透镜效应,水星轨道的旋进,Lense-Thirring效应,引力红移,夏皮罗时间延迟,以及最近的黑洞和中子星合并产生的引力波。

任何物体或形状,无论是物理的还是非物理的,都会随着引力波穿过它而被扭曲。根据广义相对论,当一个大质量的物体通过弯曲时空区域加速时,产生引力波是不可避免的结果。图片:NASA/AMES RESEARCH CENTER/C. HENZE

想要超越达尔文的进化论吗?仍然需要解释生物多样性的出现,对选择压力的反应,以及遗传是如何起作用等等。

想要改进玻尔原子吗?也必须至少复制成功解释原子的各种能级和卢瑟福的散射实验以及其他原子散射实验。

这也意味着新理论不能做出新的预测,与已经做过的或已经做过的实验相矛盾。仅仅做出正确预测是不够的;必须再现先前理论的每一项成功。如果无法与想要取代的东西相比,就无法超越它。

一个两面镜子之间的光子组成的光时钟,将为观察者定义时间。即使是狭义相对论,有了所有的实验证据,也永远无法被证明,但它可以被检验,要么被证实,要么被证伪。这些规则只适用于在空间和时间上相同“事件”上的两个观察者。图片:JOHN D. NORTON

第2步:在先前理论没有的地方取得成功

我们之所以想要更好的理论,是因为有某种动机或动力驱使我们去创造一个更好的理论。(这里有一个“步骤0”)旧理论有些地方不对劲;有些事情它无法解释;牛顿物理学无法解释快速移动粒子的力学原理;光线理论无法解释干涉;万有引力定律无法解释水星的轨道。

太阳系内部行星的轨道并不完全是圆形,但它们非常接近,水星和火星的距离最大,椭圆度最大。在19世纪中期科学家们开始注意到水星运动与牛顿引力预测的偏差。图片:NASA / JPL

所有这些难题导致了许多新的想法来解释这些现象,但并不是所有想法都能重现先前的成功。例如Urbain Le Verrier提出一颗水星轨道内部的假想行星(被称为Vulcan)来解释它的异常轨道,其他科学家认为太阳的日冕是巨大的。另一个小组,西蒙·纽科姆和阿萨帕赫·霍尔认为如果用牛顿的平方反比定律,也就是重力从1到2的幂,用重力从1到2的幂可以解释水星的运动。最后爱因斯坦彻底抛弃了牛顿,用弯曲的时空取代了牛顿理论。所有这些想法都被认真考虑了很多年;但当他们面对着至关重要的第三步时,除了一个人之外,所有人都被中途放弃了。

假设的行星“Vulcan”的候选范围,在牛顿引力的背景下,对一颗可以解释水星异常运动的行星进行了详尽搜索,但没有这样的行星存在,这就使太阳系中存在一颗内部行星的预测变得异常。图片:WIKIMEDIA COMMONS USER REYK

第三步:必须做出与原始理论不同且新的、可验证的预测

如果水星轨道内有一颗新的行星,用望远镜就可以探测到它。如果日冕质量很大,应该比观测到的粒子/物质密度更大。如果纽科姆和霍尔的引力理论是正确的,它将以与观测不相符的方式影响月球、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,在空间被质量弯曲的情况下,背景光源应该沿着曲线而不是直线的路径。它会根据广义相对论预测的量来弯曲,而不是空量,也不是通过给一个光子一个能量给定的质量(通过E = mc2)来得到牛顿引力的量。1919年在一次日全食期间,爱因斯坦的这一预测受到了严峻的考验。

《纽约时报》(左)和《伦敦新闻画报》(右)的一个标题不仅显示了报道的质量和深度的不同,而且还显示了两国记者对这一令人难以置信的科学突破的兴奋程度。事实上光被发现是在质量接近的情况下弯曲,这是由爱因斯坦所预测的。图片:NEW YORK TIMES, 10 NOVEMBER 1919 (L); ILLUSTRATED LONDON NEWS, 22 NOVEMBER 1919 (R)

瞧,根据爱因斯坦的预言,光线弯曲了!在一场巨大的革命中,人类有了一种新的引力理论,在过去99年里进行了多次试验,在任何高质量的观测或实验中都通过了那次试验。从遗传学、DNA到宇宙大爆炸、宇宙膨胀和暗物质,所有的领先科学理论都是经过相似的理论发展和实验/观测证实。这些并不是最伟大的理论,因为数学是如此的漂亮,或者它们与我们的直觉非常吻合,但是因为它们如此成功地描述了宇宙中的自然现象。

宇宙中最大规模的观测,从宇宙微波背景到宇宙网,从星系团到单个星系,都需要暗物质来解释所观测到的东西。但即使是暗物质理论也有其自身的问题,而且很有可能会被修正,甚至有一天会被取代。图片:CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD

随着科学变得越来越发达,证据丰富,创建一个解释完整数据的单一理论就变得越来越困难。但这正是最成功理论所做的。不管一个想法在过去有多成功,只要有一个不连贯的观察就能让整个事情都充满怀疑。今天最伟大的科学理论很可能都将在未来被收集到新的和更优越的证据。

巨大的中微子是一种超越标准模型物理信号;黑洞信息悖论是一种超越广义相对论的引力暗示;有性生殖存在的事实是不可否认的,但它是如何产生的仍然是未知的。这些谜题和许多其他的谜题可能预示着重大的科学进步。在此之前,只能在科学的前沿进行推测,在我们的尝试中,尝试将这三个巨大的步骤作为对宇宙更好的理解。


博科园-科学科普|文:Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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来自:好了明理  > 科普知识
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