演讲人 | 邢志忠

整理 | 王佳琪

编辑 | 金庄维

怎样构建一个理论？有没有指导原则？做科研没有路子可循吗？肯定是有的。

荷兰的弦理论家伯特•薛勒肯（Bert Schellekens）在2008年发表了一篇关于弦论的综述性文章。题目很有意思，叫做“皇帝最后的衣服（The Emperor’s Last Clothes）”。

他在这篇文章中提出了一些关于理论研究的所谓Misguiding principles，即误导原则。通常应该提guiding principles，指导原则，但他提的却是误导原则。要做一个超越标准模型的理论，发现新物理，当然有些套路，他指出这些套路中很多东西其实都有误导性。他列举了一些误导原则，我又增加了一些，当然这不是全部。下面我们一一来看。

第一点，理论模型要和实验观测一致。我猜所有人都同意这一点。因为从某种意义上讲，物理学归根结底是实验科学，你需要通过实验证实或者证伪一个理论模型。

第二点，理论要具有自洽性。数学结构要自洽，然后整个理论本身要自洽。如果不自洽，就谈不上是一个好的理论，就没有任何预言性、指导性。这一点也没有问题。

前两点没有任何争议。

第三点，对称性，这是美学的一个特征。比如杨先生提出的杨-米尔斯场论，就强调了定域规范不变性这样一种基本的对称性。

对称性是物理学的基石。很多时候我们都需要对称性，但是很多时候对称性是不完美的，它需要被破缺。比如我们所处的物质世界似乎不存在原初反物质。宇宙大爆炸之初，物质和反物质应该是等量产生的，现在只剩下了物质，没有发现原初反物质，也就是说物质和反物质之间存在百分之百的不对称，这也是自然界的一种现实，需要一个令人信服的解释。

（图源：wikimedia）

然后是自然性。你觉得你的理论自然吗？什么是理论的自然性呢？如果你是理论家，你构建一个模型，这个模型的结构和特征要不要显得很自然？自然性是不是一个判据？有人说可以是，有人说可以不是。

接下来是简单性。理论的结构要不要简单，简单性是不是最重要的标准之一？我在大学三年级上量子力学课，那时候教我们的是曾谨言老师。他上课的时候经常批评我们，说我们不够用功，说我们不够勤奋，然后他说简单的就是最重要的，简单的就是最重要的，简单的就是最重要的，他强调了三遍。所以理论需要简单性，简单了才能深刻。如果你的理论模型特别复杂，一定不够深刻，一定没有深度。

但是量子力学其实并不简单，怎么办？解决现实问题的理论，或者理论框架，其实都不怎么简单。

第六点，经济性。这里指的不是我们坐飞机经济舱的那个“经济”性，而是指理论模型的自由参数比较少。冯·诺伊曼曾经说过，你给我四个参数，我能把大象画出来，再加一个就能让它的尾巴摆动。这说明参数多了，理论就没意思了——通过调节自由参数，把大象的头调出来，把它的腿调出来，把它的耳朵调出来等等，反正你有足够多的自由度，这样就没多大意思。理论的自由参数越少，预言性越强，被实验检验的可靠性的程度就会越高。

（图源：doi.org/10.1119/1.3254017）

再有一点，是理论的唯一性。只有这个理论是对的，其他的肯定都不对，不可能构造出一个能够有竞争力、甚至更好的理论。你相信这样的说法吗？

还能加上其它更感性的东西，比如抽象美学的东西。打个比方，你希望你的理论要非常elegant——有一种优雅的感觉在里面。这是很多理论工作者强调的美感，但却缺乏客观的标准来衡量这一点。

你会发现要满足上述“误导原则”中的一部分很难，尤其前面那几条更难。很多时候理论家做的90%的东西，甚至99%的东西，甚至100%的东西都和现实不相符。因此有时我们开玩笑说，与现实相符的理论研究是科学，不相符的则是艺术。

在这个意义上，做理论研究的学者就像抱着水晶球算命的先生一样——你一会儿告诉实验家去找找这个，一会儿说去找找那个。然后就像算命师一样，告诉你说你会死的。你大吃一惊：是吗？什么时候死？她的回答是：你最终总会死。

（图源：fionabeck.com）

我们很多时候做理论研究都是这样，没有任何可靠的、定量的语言来衡量理论的价值。做大科学实验和大科学工程往往更具体，你会有看得见、摸得着的发现。很多人问做这个有什么用，做那个什么用，其实做很多基础的东西都很有用。

比如网络的发明改变了整个现代人的生活方式！万维网就是高能物理学家发明的。上世纪80年代末，当时欧洲核子中心建立了大型正负电子对撞机，产生了海量的实验数据。那时候我刚读研究生，我们高能所的实验物理学家每次去日内瓦，都带回来好多非常大的磁盘，然后把数据拷贝到计算中心的机器上去做分析。

后来，英国物理学家蒂姆•伯纳斯•李（Tim BernersLee）觉得这样传输数据太不经济。他就在计算机上建立了不同的节点，把数据存储起来，然后通过节点联系起来，这就是万维网的雏形。万维网的发明没有申请专利，最后实现了商业化，改变了我们的世界。但那时候，人们当然不知道做这种高能物理学的研究和我们的现实生活能有什么关系。

所以很多基础研究，我们其实不问有用和没用，我们自己心里知道肯定有用，这种研究一定会推动整个社会技术的发展。技术的发展最终一定会改变社会和生活。

本文整理自邢志忠研究员在中科院高能所2018年大学生夏令营上的报告《物理思想的简单与深刻》第二部分。

文章头图及封面图片来源： unsplash.com / Todd Quackenbush