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颠覆科学原理的三个步骤

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发表于 2019-1-10 16:33:49 | 显示全部楼层 |阅读模式




颠覆科学原理的三个步骤

    原载:福布斯2018.7.31

    原作:Ethan Siegel

    编译:人定湖学者

    https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/07/31/how-to-overthrow-a-scientific-theory-in-three-easy-steps/#1cdfd97f7e2d

与生活中的许多事物一样,科学总是在不断发展。一个成功的科学理论可以回答一些问题,它可以准确描述一些自然现象,甚至可以做出强有力的预测,但它在时间和空间上都会受到根本限制。任何理论,无论多么成功,期有效性都是有限的。在这个有效范围之内,你的理论看起来非常符合其描述的现实; 而一旦走出它,其预测就不再与观察或实验相匹配,任何理论都是如此。牛顿力学在小尺度(量子)和高速度(相对论)下就会瓦解; 爱因斯坦的广义相对论在一个奇点上被打破了; 达尔文的进化打破了生命起源学说。

今天最好的理论明天也可能被别的科学所取代,这就是科学。



16世纪最大的难题之一是行星如何以移动。这可以通过托勒密的地心说模型(L)或哥白尼的日心说(R)来解释。然而,任何人都无法做到正确的细节。尽管这两种模型都很有趣,但如果发现另一颗新行星,那么就没有人会说太多。ETHAN SIEGEL /超越银河系

第0步:认识既有理论的成功与失败

众所周知,科学理论的圣杯就是所谓的终级理论。这是爱因斯坦的终极梦想,并且仍然是许多其他科学家在各个领域的梦想。在给定任何初始设置和条件的情况下,这样的理论将预测宇宙中的所有自然现象。您可以提前计算任何实验设置的结果; 你可以预测任何系统将如何随意地发展到未来。你面临的唯一限制是计算能力,而不是理论本身的局限性。



标准模型粒子及其超对称对应物。已经发现略低于50%的这些颗粒,只有超过50%的颗粒从未显示它们存在的痕迹。超对称是一种希望改进标准模型的想法,但它还没有试图取代流行的理论来实现“第3步”。克莱尔大卫/欧洲核子研究中心

但我们现在还没有关于一切的终级理论; 我们有一系列非常成功的理论,这些理论都具有本质上的局限性。在每个领域,我们都可以观察到现象或者我们可以设计的实验,其中我们最好的理论的预测要么与数据相矛盾,要么产生无意义。此外,经常会出现一些我们无法用已有理论解释的问题或难题。

为什么中微子有质量?为什么宇宙由大量物质组成而不是反物质?当电子通过双缝时,它的引力场会发生什么?为什么基本常数具有它们具有的值?观察到的一种无法解释的现象,但没有一种理论来预测它,往往是科学革命的推动力。这是我们的出发点。







在牛顿的引力理论中,轨道在单个大质量周围发生时会形成完美的椭圆。但在广义相对论中,由于时空的曲率,存在额外的进动效应,并且这导致轨道随时间移动,有时是可测量的。水星以每个世纪43“的速度进动; OJ 287中较小的黑洞以每12年轨道39度的速度进行。

第1步

重现既有理论的所有成功

那么,你有了一个新的理论,你希望它能取代目前领先的理论?太棒了!你的首要任务是证明你的新理论不会在旧理论成功的地方失败。流行的理论越成功,实现这一目标的难度就越大。例如:

想要取代广义相对论?你必须解释引力透镜效应、水星轨道的进动、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,都会在引力波穿过时变形。根据广义相对论,每当一个大质量加速通过一个弯曲的时空区域时,引力波发射是不可避免的结果。美国宇航局/艾姆斯研究中心/ C. 亨策

想要超越达尔文进化论?你需要解释生物多样性的出现,对选择压力的反应,以及遗传如何发挥作用等。

想改进玻尔原子?你必须至少重现解释原子中各种能级的成功,以及卢瑟福和其他原子核的散射实验。

这也意味着,你的新理论不能做出与已有发现或已经进行的实验相矛盾的新预测。仅仅选择这些预测是不够的; 你必须重现先前理论的每一个成功。如果你不能达到想取代的东西同样的高度,你就无法超越它。



由两个镜子之间的光子反射形成的光时钟将为观察者定义时间。即使是狭义相对论,有了它的所有实验证据,也无法证明,但它可以通过测试验证或证伪。这些规则仅适用于空间和时间相同“事件”的两名观察者。A light-clock, formed by a photon bouncing between two mirrors, will define time for an observer. Even the theory of special relativity, with all the experimental evidence for it, can never be proven, but it can be tested and either validated or falsified. These rules only work for two observers at the same 'event' in space and time.

第2步

在既有理论无效之地取得成功

我们只想到了一个更好的理论,因为有一些动力或动力驱使我们创造一个。(记住,我们在这里有一个“第0步”!)旧理论有些不对劲; 有些东西无法解释。牛顿物理学无法解释快速运动粒子的力学; 光的射线理论无法解释干涉模式; 普遍的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的,但它们非常接近,水星和火星具有最大的偏离和最大的椭圆度。在19世纪中叶,科学家们开始注意到水星运动偏离牛顿引力的预测。NASA / JPL

所有这些谜题导致了许多新的想法来解释这些现象,但并不是所有的想法都能重现先前的成功。例如,Urbain Le Verrier提出了一种假想的行星(被称为火神星)以解释水星的异常轨道。而西蒙纽科姆和亚萨声称,如果你修改一下牛顿的万有引力定律,把引力随距离的平方下降,改为随距离的2.0000001612次方下降,你就可以解释水星的运动。而爱因斯坦则彻底抛弃了牛顿,用时空弯曲取代了引力的“超距作用”。

所有这些想法都经过多年的认真考虑; 当他们面对最重要的第三步时,除了爱因斯坦一个人之外,其他都被淘汰了。



候选行星Vulcan的候选范围。对一颗行星进行了详尽的搜索,这可能是牛顿引力背景下水星的异常运动的原因,但是没有这样的行星存在,这简化了对我们太阳系内部行星的预测。WIKIMEDIA COMMONS用户REYK

第3步

做出全新的、可检验的预测

如果有一个新行星影响了水星,它应该可以通过望远镜探测到。如果纽科姆和霍尔的引力理论是正确的,它将以与观测不符的方式影响月球的运动、金星和地球的轨道。而如果爱因斯坦是正确的,那就意味着当空间被质量弯曲时,背景光源应该遵循弯曲的而不是直的路径。1919年的日全食期间,爱因斯坦的预测接受了严峻考验。



纽约时报和伦敦新闻画报的标题不仅显示了报道质量和深度的差异,而且还显示了两个不同国家的记者在这种令人难以置信的科学方面所表达的兴奋程度。突破。事实上,根据爱因斯坦的预测的数量,光德弯曲现象被观测到了。纽约时报,1919年11月10日; 插图伦敦新闻,1919年11月22日

你瞧,根据爱因斯坦的预言,光会弯曲!在一场巨大的革命中,我们有了一种新的引力理论,在过去99年里多次经受考验,并在任何高质量的观测或实验中通过了考验。经过类似的理论发展和实验/观察证实,我们得出了科学理论,从遗传学和DNA到大爆炸、宇宙膨胀和暗物质。这些并不是我们最伟大的理论,因为数学很漂亮,或者它们与我们的直觉很吻合,但因为它们很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,再到星系团到个别星系,都需要暗物质来解释我们观察到的东西。但即使是暗物质理论也存在问题,并且有可能在某一天被修正甚至取代。CHRIS BLAKE和SAM MOORFIELD

随着科学越来越发达,证据越来越丰富,创建单一理论来来对完整数据集做出解释就显得更加艰巨,但这正是最成功的理论所要做到的。不管一个想法在过去有多成功,只需要一个前后不一致的观察就能让整个事情充满疑问。随着新证据的收集,我们今天最伟大的科学理论很可能在未来全部失败。

大规模的中微子是标准物理模型之外的一种暗示; 黑洞信息悖论是一种超越广义相对论的引力; 有性生殖的事实不可否认,但它的产生方式仍然未知。这些谜题和许多其他谜题可能成为巨大科学进步的先兆。

在此之前,我们惟有在科学的前沿不断探索,通过上述三个步骤更好的了解宇宙。

(全文完)

作者简介:伊桑西格尔(Ethan Siegel),天体物理学家、科普作家。代表作有《Beyond The Galaxy》和《Treknology 》

本文转载自微信公号“人定湖学者”

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