理論物理的新方向
（原標(biāo)題 The End of Theoretical Physics As We Know It）
作者 Sabine Hossenfelder
譯者 李冬生
譯者評述
幾天前看到這篇文章，邊看邊有要把它翻譯過來的沖動，因為計算機(jī)模擬用于科學(xué)研究也引起過我的注意。我也認(rèn)為這確實不同于以往，是做科學(xué)的一種新的樣式和進(jìn)路。
按這篇文章內(nèi)容，以數(shù)學(xué)描述的自然法則是簡單的，但應(yīng)用于實際問題時的求解過程卻極為困難，計算機(jī)模擬作為一種新的進(jìn)路得以發(fā)展。有些場景下也只有運用計算機(jī)模擬進(jìn)行研究。按作者的愿景，就是用設(shè)計和優(yōu)化的計算機(jī)模擬系統(tǒng)去理解和預(yù)測實際的物理系統(tǒng)。我認(rèn)同作者指出的這一核心轉(zhuǎn)換，但除此以外，這一新的研究樣式和進(jìn)路與以往的科學(xué)相比，還應(yīng)該有一些其它的重要不同。
盡管以往的物理學(xué)實驗離不開相應(yīng)的理論背景和理論解釋，但理論與實驗還是可分的。而在計算機(jī)模擬用于物理學(xué)研究時，模擬過程就是實驗與理論相互修正和契合的過程，就是實驗與理論糾纏的難以分離過程。
上述特點進(jìn)一步帶來的疑問就是，如何保證所獲知識的確定性與可靠性。這就涉及西方科學(xué)的根本特點之一——公理化體系。在這樣的體系中，由公理建立理論，由實驗檢驗和修正理論。但是在計算機(jī)模擬的整個過程中，會相應(yīng)帶有類似中國古代算學(xué)那樣的特點，就是不預(yù)設(shè)一個公理和理論，而是在推演的過程中求得問題解決。作者用了一個詞plot，很難用一個漢語詞匯貼切表達(dá)它，應(yīng)該就是指的前述這個意思。這樣的一個問題處理過程，可以作為一個范例，拓展到類似的系統(tǒng)和問題上。
前述兩個與以往的不同，其實都屬于科學(xué)哲學(xué)實踐轉(zhuǎn)向意義下所說的實踐的涵義。
另外，從科學(xué)史、實驗哲學(xué)、科學(xué)實踐哲學(xué)等各自的研究視野來看，儀器在科學(xué)研究中都有著舉足輕重的作用。計算機(jī)模擬中，計算機(jī)這一儀器除去具有以往的儀器那樣的作用外，也帶來了自己的獨特之處。這就是，軟件和算法不是作為以往意義上的工具，而是直接進(jìn)入科學(xué)研究的內(nèi)核。
作者指出的計算機(jī)模擬的一個特征非常關(guān)鍵，就是系統(tǒng)。以往科學(xué)的主要特征是構(gòu)成論的和還原論的。而作者對計算機(jī)模擬的期待就是以系統(tǒng)去理解系統(tǒng)，以系統(tǒng)與系統(tǒng)的關(guān)系去說明世界，以一個系統(tǒng)的推演去預(yù)見另一個系統(tǒng)的演化。因此，從一開始研究的起點就是不應(yīng)是“原子”個體，而是內(nèi)含信息和關(guān)系的系統(tǒng)。盡管系統(tǒng)科學(xué)已經(jīng)有了近一個世紀(jì)的發(fā)展，但對物理學(xué)而言，像作者所預(yù)見的這樣重置物理學(xué)研究樣式還是范式轉(zhuǎn)換式的。
或許正是在這樣的意義上，作者所用的標(biāo)題是The End of Theoretical Physics As We Know It。如果說像我們以往所知曉的那樣的物理學(xué)的終結(jié)可能還為時尚早，因為有物理學(xué)的目的所在。但是含有上述所列出的一些意義的計算機(jī)模擬所引向的新樣式和新進(jìn)路卻很值得重視。因而譯文換了一個標(biāo)題以凸顯這一新的方向。
作者薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）是法蘭克福高等研究院（Frankfurt Institute for Advanced Studies）的理論物理學(xué)家，關(guān)注點并不在科學(xué)哲學(xué)。她雖然沒有明確提示計算機(jī)模擬用于物理學(xué)研究的上述那些意義，但敏銳地意識到了物理學(xué)中這樣一個值得重視的轉(zhuǎn)換。因而譯者愿將這一文章翻譯過來，以便讓更多讀者看到。
李冬生 2018年8月31日
譯文：
理論物理以復(fù)雜著稱，而我不以為然。我們完全可以以數(shù)學(xué)形式寫下自然法則，這意味著我們所處理的自然法則是簡單的——比其它學(xué)科要簡單。
不幸的是，實際上去解這些方程時并非如此簡單。譬如，我們有完美優(yōu)雅的理論描述夸克和膠子這樣的基本粒子，但是沒有人能計算出它們?nèi)绾谓Y(jié)合成一個質(zhì)子，因為方程不能以任何已知的方法被解出。同樣，黑洞的并合或山澗溪流的流動也能以貌似簡單的形式去描繪，但要說清在實際情況下將會發(fā)生什么卻是極其困難的。
當(dāng)然，我們一直探尋新的數(shù)學(xué)策略排解這種限制。但是最近幾年的更多推進(jìn)并非復(fù)雜精致的數(shù)學(xué)，而是由于更強(qiáng)的計算機(jī)算力。
二十世紀(jì)八十年代第一個數(shù)學(xué)軟件可用時，并沒做太多的東西，主要是一些人用來搜索繁冗的列表而解決積分問題。而一旦物理學(xué)家有了信手拈來的計算機(jī)，就不再像當(dāng)初那樣局限在解決積分問題上，而是可以用來謀劃出一些問題的解決方案。
到了九十年代，許多物理學(xué)家反對這種“只是謀求（just plot it）”的途徑。由于許多人并沒有計算機(jī)分析方面的訓(xùn)練，一些情況下他們不能從人工編碼的東西中得出物理意義上的結(jié)果。大概正是如此，讓我回想起在許多學(xué)術(shù)研討會上，一個結(jié)果由于“僅是數(shù)值”而降格了。但在過去的二十年里這種看法有了明顯轉(zhuǎn)換，這尤其要感謝新一代物理學(xué)家，對于他們來說，編程是他們數(shù)學(xué)技能的自然延展。
相應(yīng)地，理論物理現(xiàn)在有一些子領(lǐng)域正致力于對真實世界的計算機(jī)模擬而展開研究，這種研究用其它方式恰恰是不可能的?，F(xiàn)在計算機(jī)模擬往往用在研究星系的形成和超星系的結(jié)構(gòu)，計算一些夸克構(gòu)成的基本粒子的質(zhì)量，揭示原子核對撞會發(fā)生什么，理解太陽活動周期，以及少數(shù)能叫得出名字的主要依賴計算機(jī)的研究領(lǐng)域。
接下來的發(fā)展是脫離純粹的數(shù)學(xué)建模，現(xiàn)在已經(jīng)開始的是：物理學(xué)家們以用戶設(shè)計的方式建立專門的實驗室系統(tǒng)，用這種系統(tǒng)置換那些有待更好地去理解的系統(tǒng)。他們通過在實驗室中觀察模擬系統(tǒng)，去描繪和預(yù)測它所指代的那個系統(tǒng)。
最好的例子可能是這樣一項研究，我們可以姑且稱作“量子模擬”。一些系統(tǒng)由相互作用的、類似原子云的復(fù)合客體構(gòu)成，物理學(xué)家操縱這些客體的相互作用，因而系統(tǒng)就類似于有一些基本粒子在相互作用。例如在量子電動力學(xué)電路中，研究人員用細(xì)微的超導(dǎo)電路模擬原子，研究這些虛擬的原子如何與光子相互作用。又如，在慕尼黑的一個實驗室里，物理學(xué)家們用超冷原子的超流去解決類希格斯（Higgs-like）粒子能否存在于二維空間的爭論（得出了肯定答案）。
這些模擬不僅有助于我們克服已知理論中的數(shù)學(xué)障礙，也能用來探索新理論的結(jié)論，這些新理論我們以前尚未研究過也不知道其中的關(guān)系。
當(dāng)計算機(jī)模擬用于時空自身的量子行為時（這一領(lǐng)域我們一直沒有好的理論），就具有了特別的意義。譬如在最近的實驗中，位于加拿大安大略的滑鐵盧大學(xué)量子計算研究所的物理學(xué)家雷蒙德﹒拉夫勒蒙（Raymond Laflamme）和他的團(tuán)隊用量子模擬研究叫做自旋網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，在某些理論中這種結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)上編織時空。慕尼黑大學(xué)的一位物理學(xué)家吉雅﹒德瓦利（Gia Dvali）一直計劃用超冷原子氣模擬黑洞的信息過程。
類似的想法也正在模擬引力上推行，物理學(xué)家用流體模擬粒子在引力場中的行為。杰夫﹒斯坦豪爾（Jeff Steinhauer）宣稱已經(jīng)在黑洞模擬中測得霍金輻射，就像他的宣稱（一直稍微有些爭論）那樣，黑洞時空模擬也已經(jīng)引起大量關(guān)注。研究者也一直用流體模擬引力來研究叫做“暴漲”的早期宇宙的快速膨脹。
另外，物理學(xué)家們通過觀察叫做準(zhǔn)粒子的替代物來研究假設(shè)的基本粒子。這些準(zhǔn)粒子的行為像基本粒子，但是它們從大量的其它粒子的集體運動中涌現(xiàn)。理解它們的屬性使得我們可以更多的了解它們的行為，因而也有助于我們尋找觀察真實事例的方式。
這一研究進(jìn)路也帶來了某些大的疑問。首先，如果我們用復(fù)合的準(zhǔn)粒子模擬我們現(xiàn)在認(rèn)為是基本的東西，那么我們當(dāng)前認(rèn)為基本的東西——空間、時間和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的25種基本粒子——也可能有著更底層的結(jié)構(gòu)。量子模擬也讓我們疑慮，解釋一個系統(tǒng)的行為首先意味著什么。使用精簡后的版本對系統(tǒng)做觀察、測量、預(yù)測，等價于解釋嗎？
對我來說，這一進(jìn)展的最有意思的方面是，它從根本上改變了我們做物理的方式。對量子模擬來說，數(shù)學(xué)模型是次要的。我們當(dāng)前使用數(shù)學(xué)甄別合適的系統(tǒng)，因為數(shù)學(xué)告訴我們應(yīng)該關(guān)注哪些特性。但嚴(yán)格來說這不是必須的。或許隨著時間的推移，實驗物理學(xué)家將會理解的是系統(tǒng)，而這個系統(tǒng)反映的是另外的系統(tǒng)，就像他們已經(jīng)知道哪個系統(tǒng)對應(yīng)于什么樣的數(shù)學(xué)描述一樣。也許有一天我們不是通過計算，而是憑借對精簡了的系統(tǒng)的觀察而做出預(yù)測。
現(xiàn)在，我確信我的許多同事會對這樣的未來景象感到驚愕。但在我心中，在實驗室中建立系統(tǒng)的精簡模型，從觀念上就是與物理學(xué)家已經(jīng)做了幾個世紀(jì)的工作完全不同的：以數(shù)學(xué)語言寫下物理系統(tǒng)的精簡模型。
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