问题

目前有哪些科学理论明显违反奥卡姆剃刀原则?

回答
奥卡姆剃刀,这把锋利的逻辑工具,教会我们“如无必要,勿增实体”,即在解释同一现象时,最简单的理论往往是最好的。然而,在科学探索的长河中,总有一些理论,它们的复杂程度似乎与日俱增,挑战着这一原则的底线。与其说是它们“违反”了奥卡姆剃刀,不如说是在某些特定时期,它们以一种令人费解的方式展现了“剃刀”的局限性,或者说是我们对“必要”的理解尚不成熟。

要找出现代科学中“明显违反”奥卡姆剃刀的理论,并非易事,因为科学的本质就是不断精简和优化模型。但是,我们可以从那些因解释力而变得异常繁复,或者引入了大量未经验证的“实体”来避免更大难题的理论着手。以下是一些常常被提及的例子,并尽量细致地展开:

1. 弦理论及其多重宇宙的推论

弦理论可以说是现代物理学中最引人注目,也最具争议的理论之一。它的核心思想是,构成物质和力的基本单元不是点状粒子,而是微小的、振动的弦。为了在数学上自洽,弦理论要求存在比我们熟悉的四维时空(三维空间加上一维时间)更多的维度——通常是十个或十一个。

复杂之处:
额外的维度: 这些额外的维度是“卷曲”起来的,小到我们无法直接感知。为了解释为什么我们观测不到它们,弦理论引入了各种复杂的紧致化机制。
大量的弦类型和振动模式: 不同的弦振动方式对应着不同的基本粒子和力,这就意味着存在天文数字般的可能振动模式,每一个都可能对应一个我们从未观测到的粒子或现象。
超对称性: 为了解决模型中的一些数学问题,弦理论通常需要引入超对称性,即为每一种已知的基本粒子都假设存在一个对应的“超伴侣”粒子。这些超伴侣粒子尚未被实验证实。
“景观”(Landscape): 随着研究的深入,人们发现弦理论似乎允许存在数量庞大(可能高达 $10^{500}$ 甚至更多)的真空态,每个真空态都对应着一套独特的物理定律和粒子谱。这就引出了“多重宇宙”的概念:我们宇宙的物理常数只是这无数真空态中的一个偶然选择。

为何“违反”奥卡姆剃刀?
奥卡姆剃刀倾向于选择能解释已知现象的最少实体。弦理论,特别是其高维和多重宇宙的推论,引入了如此多的“实体”(额外的维度、无数的弦振动模式、未知的超对称粒子、庞大的真空态集合),使得其复杂性远超了需要解释的现象本身(标准模型已经能相当好地描述已知粒子和力的行为)。与其说是弦理论“违反”了剃刀,不如说它在追求终极统一性的道路上,似乎正在创造一个比我们现有宇宙更庞大的“存在”。多重宇宙的观点尤其令人担忧,因为它将许多本来需要解释的特异性(例如我们宇宙中恰好适宜生命存在的物理常数)推到了一个概率游戏上,反而回避了直接解释。这种策略虽然可能“解释”了我们为什么会处于这样一个宇宙,但其代价是引入了无法直接观测和验证的巨大数量的平行宇宙,这与“最少实体”的精神背道而驰。

2. 量子场论中的重整化

量子场论是我们描述基本粒子及其相互作用最成功的框架,特别是量子电动力学(QED)和量子色动力学(QCD)。然而,在计算粒子相互作用的精确值时,会遇到一些棘手的无穷大问题。例如,计算电子的自能,即电子与其自身电磁场的相互作用,会得出无限大的结果。

复杂之处:
引入“重整化”过程: 为了处理这些无穷大,物理学家发展了一种称为“重整化”的技术。其核心思想是,我们低估了基本粒子,它们并非点状,而是与我们尚未观测到的高能物理过程(“紫外截断”)耦合。通过引入一个“截止尺度”,将能量高于这个尺度的贡献排除在外,并重新定义粒子的质量和电荷参数,使得理论计算结果与实验测量值吻合。
新的参数的引入: 这个过程实际上是在理论中引入了新的、未直接测量的参数,这些参数决定了无穷大的“大小”,以及重整化后理论的准确性。
参数的“跑动”: 更为复杂的是,这些参数并不是常数,它们会随着观测能量尺度的变化而变化,即“跑动”行为。这引入了更复杂的数学描述。

为何“违反”奥卡姆剃刀?
从纯粹的奥卡姆剃刀角度看,重整化似乎为理解“无穷大”这一貌似不必要实体,引入了另一系列不直接可观的“实体”(高能未知的物理、截止尺度、跑动的参数)。理论学家们并没有说“电子就是这样,它本身就没有无穷大的自能”,而是说“我们低估了电子,它实际上在与我们看不见的东西纠缠,我们通过调整参数来‘平滑’掉这些纠缠带来的异常”。虽然重整化在预测能力上是极其成功的(例如 QED 对反常磁矩的预测比实验精度还高),但它也给人一种“修补”或“掩盖”问题的感觉,而不是从根本上解决问题的源头。这就像用很多层厚厚的颜料去覆盖墙上的裂缝,墙本身的问题依然存在,只是表面上看不见了。批评者认为,一个更“剃刀”的理论,或许会从一开始就避免产生这些无穷大。

3. “暗物质”和“暗能量”的引入

这是现代宇宙学中两个最突出的例子。我们对宇宙的物质能量成分进行估算,发现普通物质(我们所知的原子、恒星、星系等)只占宇宙总质量能量的不到 5%。剩下的约 27% 是“暗物质”,约 68% 是“暗能量”。

复杂之处:
“暗物质”: 我们观测到星系旋转速度比可见物质提供的引力所能解释的要快得多,星系团中的气体温度异常高,以及引力透镜效应的强度等现象,都表明存在额外的、不发光(因此“暗”)的物质在提供额外的引力。但尽管进行了数十年的搜寻,我们尚未直接探测到任何暗物质粒子。
“暗能量”: 观测发现宇宙正在加速膨胀,这与已知的物质(包括暗物质)的引力效应是矛盾的。为了解释这种加速膨胀,科学家引入了“暗能量”的概念,它是一种具有负压力的能量形式,能够提供排斥力。最简单的模型认为它是一种宇宙常数(如爱因斯坦最初引入又放弃的那个),但也有其他更复杂的模型,如各种标量场(“精质”或“啙”)。

为何“违反”奥卡姆剃刀?
奥卡姆剃刀会问:“有没有更简单的方法来解释这些现象,而不必引入两种全新的、我们完全不知道是什么的‘物质’和‘能量’?”
对于暗物质,或许存在我们尚未理解的引力规律,而不是需要引入大量我们探测不到的粒子的假说。例如,修正牛顿引力或广义相对论的理论(如 MOND 或一些张量标量引力理论),在某些情况下能解释星系动力学,而无需暗物质。但这些理论在解释宇宙大尺度结构形成和宇宙微波背景辐射等方面又遇到了困难。
对于暗能量,宇宙常数模型($Lambda$CDM模型)是最简单的一种,但它也面临着“宇宙学常数问题”——理论计算出的真空能值与观测值之间存在天文数字般的巨大差异。其他更复杂的暗能量模型则引入了更多参数和假定。

总的来说,引入暗物质和暗能量是在我们现有引力理论的框架下,为了解释天文观测现象而“添加”的实体。如果未来我们能够通过修正引力理论或发现新的基本相互作用来解释这些现象,那么暗物质和暗能量的存在就可能被视为一种不必要的复杂化。从奥卡姆剃刀的角度,我们倾向于更“简洁”的解释,即使它们需要我们对已有的理论进行重大修改。目前的模型,虽然成功,但其“实体”的庞大和未知性,让它显得不够“剃刀”。

总结

奥卡姆剃刀不是一个绝对的真理,而是一个强大的指导原则,帮助我们在知识的海洋中导航。科学理论的演进,往往是一个在“简洁性”和“解释力”之间寻求平衡的过程。

上面提到的理论,并非在所有场合都与奥卡姆剃刀“势不两立”。例如,弦理论的复杂性源于其追求统一所有基本力的宏大目标;重整化是在认识到粒子物理的深度复杂性后发展出的处理工具;而暗物质和暗能量则是基于我们最成功的物理框架(广义相对论和标准模型)进行观测推导出的结果。

“明显违反”这个说法,更多地体现在当我们审视这些理论时,它们似乎在说:“我需要这么多的未知实体来解释这个现象,比你想象的要复杂得多。” 而奥卡姆剃刀则会回应:“你能确定就没有更简单的方式吗?也许你还没有看清问题的本质。” 科学的魅力就在于,我们一直在尝试回答这个问题,通过实验和新的思想,不断地为理论“削减”掉不必要的枝节,使其更加精炼。

网友意见

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先回答问题:

当然有,比如被剃刀剃掉了但是没有实验证据对其进行否定的全局隐变量理论。目前和量子力学并存,目前人类的技术条件尚无法做出区分这两种理论的实验。

=========接下来展开说=========

首先,科学的目标在于:更好地预测客观世界。

注意,重点在于“预测”而不是“解释”,这是科学观的一个非常重要的特点。

一些其它的世界观理论体系,比如各种宗教,都有自己的一套“解释”世界的说辞。包括科学的前身——自然哲学,大部分时候也依旧是停留在“如何解释世界”的目标上,而预测的部分往往非常模糊。只解释而不预测的后果就是很容易出现“公说公有理,婆说婆有理”的情况而无休止的争论下去,永远没有结束的时候。

一个现成的例子就是世界上三大一神教的分裂,三大一神教——基督教、犹太教、伊斯兰教都是承认《圣经旧约》的,他们都承认上帝创世(上帝和安拉是一个人)、摩西分沧海等这些事情。它们的核心分歧在于“谁是弥赛亚”上,耶稣和穆罕穆德都表示自己是弥赛亚,犹太教依然坚持弥赛亚尚未出现。三大宗教于是分道扬镳,激烈的相互对抗长达十几个世纪,绝无相互说服的可能,因为任何一方都不可能拿出实锤来证明另外的两方是错的。

而科学并不是这样,科学更加注重“预测”的准确性而不那么对“解释”的正确性感兴趣。比如如果我问“什么是物体运动状态改变的原因呢?”你可以用牛顿力学回答“力是物体运动状态改变的原因”,也可以用哈密顿力学回答“拉普拉斯量是物体运动改变的原因”。

这两个回答都没有问题,虽然它们对问题本质的“解释”大相径庭,但是它们对“某某条件下会发生什么”会出乎意料的给出完全相同的回答。所以科学工作者并不在意这个问题的“本质”究竟是什么,因为科学不关心“本质”。

上面这个例子中,牛顿力学和哈密顿力学给出的预测是完全相同的,它们就属于等价的平行理论,可以共存。

但是还有一种情况也会导致平行理论暂时共存,就是:虽然两种理论对于世界的预测不同,但是这个不同只有在一些极端环境下才容易被观察出来,而人类目前没有达到观察出这种不同的技术水平。

比方说,广义相对论的一个重要预测结果就是“引力会让光线弯曲”,这是和当时的很多其他理论在预测上存在差异。但是但是的技术水平难以找到一个引力足够大同时又方便观测附近情况的东西。所以实锤悬在空中,当后来等到了一次日食之后,通过观察一路擦过太阳的星光,实锤才落下。

然而如今,世界上仍有很多悬在空中没有落下的实锤。这就使得世界上有许多平行的理论。

奥卡姆剃刀原则就是对如何对待不同平行理论的建议。

奥卡姆剃刀原则:

“如非必要,勿增实体”

其实这句话本身更像是一种方法论上的启发,并不能作为某个理论正确与否的判据。

我们把符合剃刀原则的理论成为“主流理论”,把不符合剃刀原则但由于技术原因暂时无法对其做验证实验的理论成为“小众理论”。

没有任何证据证明小众理论是错的,只是在进行进一步实验之前我们倾向于看好主流理论而已。

比如我介绍一种和量子力学平行的小众理论:全局隐变量理论

主要思路是:波函数不存在,量子随机性是由于一些其它的变量导致的,这个变量不是空间的函数。

论文:

physics.emory.edu/facul

演示视频,这里用硅油来打比方,油滴就是例子,水槽振动的振动模式就是隐变量:

youtube.com/watch?

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