科学值得信任之处不来自确定性，而来自面对不确定的开放态度

【编者按】

《欢迎来到物理学的世界》是一本关于物理学及物理学史的基础读物，借管窥物理学的方法论、大范围尺度、重要概念、问题、理论系统及学科发展等，廓清了现代物理学的三大支柱：相对论、热力学、量子力学，并为读者介绍了现代物理学的全貌以及何谓科学精神——怀疑与自我怀疑，诚实面对证据和真理，本文即摘编自该书《像物理学家一样思考》一章，澎湃新闻经理想国授权发布。

我想和你分享一件趣事。2017年我参演了BBC电视台的一部纪录片，叫《重力与我》。在片中，我讲述了对于“引（重）力”这个塑造世界的基础概念，人类的理解在整个科学史上是如何演变的：从看不见的牛顿作用力，到时空本身的结构。这个节目更有趣的地方在于，我们开发了一个智能手机应用程序，它可以按固定的时间间隔记录用户的GPS坐标（纬度、经度、海拔高度），从而监测该用户的位置，再利用这个信息计算出她那里的时间流逝速度。根据广义相对论，时间以不同的速度流逝，取决于不同位置引力场的强度。在山顶上的人要比在海平面的人更远离地球中心，所以山区居民感受到的地球引力要弱一点点，这也意味着山顶时间会比海平面时间走得稍快一点点。这个作用很微弱：海平面上每过一秒，山顶时间只会比它快不到万亿分之一秒。所以，如果一个人一生都生活在山顶，所有其他因素都相同的话（我知道这不可能），她会比在海平面上生活少过大约一毫秒——假设太空中飘着一台非常精确的时钟，专门测量地球上的这些时间差，此外别无他用，那么它所测得的结果就会是这样。但与呼吸干净的山间空气、健康饮食、经常锻炼等更明显的好处相比，生活在海平面的这个优势就不太有意义了。然而这个物理作用还是真实的，那个应用也是有点好玩的。

为做出这个应用，我们还必须考虑另一个因素。移动的时钟比“静止”的时钟走得更慢。所以，相对于站定不动的人，你可以通过移动让自己的时间慢下来。这个作用比引力的作用还小，因为我们绝不会以近光速移动（快成这样的话，效果倒是会很明显）。尽管如此，这个应用还是把移动考虑了进去，它会每隔一段固定的时间监测一下用户的位置，如果位置有明显改变，它会计算出相应的移动速度。

现在要讲关键了。我们的地球不是一个完美球体，它在赤道处是鼓出的。因此，站在赤道上的人，比站在北极的人离地球中心更远（相差约22千米），也会像山区居民那样感受到稍弱一点点的引力拉扯。所以在极地的时钟，由于引力较强，应该比在赤道的时钟走得稍慢（广义相对论的时间膨胀）。但地球也在自转，在赤道的时钟比在极地的时钟移动得更快（飘在太空中的评判时钟也会测得此结果），所以应该是赤道时钟比极地时钟走得更慢（狭义相对论的时间膨胀）。这两个作用由于广义相对论和狭义相对论而相互对抗，那么哪一个会胜出，哪个时钟会走得更慢一些呢？我分别计算了这两个作用，发现总体而言，在极地的时钟走得更慢，因为它受到的引力更强，尽管在赤道的时钟移动得更快。

所有这些很酷的数学信息都融入了那个应用程序，而这个应用则执行我的公式。我们开展了一场热烈的社交媒体宣传，让成千上万的人下载了这个应用，在节目播出前就使用它。我们甚至收到了很多人的视频日志，比如来自一名飞行员和一名登山者的，他们提供了各自程序的结果记录。

然后我们就遇到了挫折。

本来这个节目不久后就要在BBC播出，但在节目编辑按计划完成前的一周，就在我准备录制画外音之前，一天晚上，非常聪明的制片人保罗·森打来了电话。他说他在某个物理学线上论坛中读了一些材料，暗示说我好像搞错了。我立即放下手头的工作，回头检查我的计算。我也很快给几位同行发了邮件，让他们也检查一下。

我确实犯了一个很基本的错误。这两个作用——极地时间因为受更强引力而减缓，以及赤道时间因移动更快而减缓——是完全抵消的！实际上，在地球上的所有地方，所有海平面处的时钟速度都相同，它们测得的时间叫“国际原子时”（IAT）。地球表面叫“大地水准面”（geoid），是一个引力等势面，这个表面上的狭义相对论和广义相对论两种作用能相互抵消，并非偶然。我们的地球在数十亿年前首次成形之时，是非常炙热的，很有可塑性，自转迫使它变成了一个更稳定的形状，即中间凸出（扁的），这就确保了地球表面所有的点都处于相同的引力势能中。因此，只要时间是在海平面测得，所有地方的时间就都以相同的速度流逝—登高的话你的时间就会加速，低于地表的话时间就会减慢。

我的应用程序算出来的数字是错的，那些公式需要修改。但问题比这更严重。我在已经录制好的节目里解释了这个程序的工作原理，大家都会看到我的错误。纪录片不能以现在的形式播放。

我把情况告诉了制片人，他马上让BBC推迟播出。本来最简单的解决办法当然是把我出错的镜头重录一遍。没人会看出破绽。但我很快意识到，这给了我一个很好的机会来展示真正的科学是如何运行的。我不应该掩饰我的错误，而是要坦白地承认它，以此来告诉大家在科学里犯错是正常的。于是我们拍摄了一些新镜头，我承认自己犯了错误，并解释为什么我错了。这种认错不需要什么特别的勇气或坚强的性格，因为犯错通常就是科学进步的方式：错误不可避免；吃一堑，长一智。毕竟，我们要是不犯错，又该如何获得关于这个世界的新发现？这就是科学不同于其他事情，比如政治的地方了。我的意思是，你们看到过几回政客毫不含糊地承认自己错了？

在科学的历史中，从过去的错误中学习的例子比比皆是，随着对大自然运作机制的不断了解，或是得到新的经验证据，我们会用新假说、新理论取代旧的。但我们如何向社会大众阐明“形成假说并检验，与数据不符就抛弃”，这种路径的价值？这与当今发生的许许多多的公共讨论都相去甚远 ；特别是在社交媒体上，最响亮的声音，往往来自那些把个人观点、先入之见看得比证据、严谨性、可重复性更重要的人。

那么科学家还能向社会大众传授东西吗，还是我们要接受“傲慢”“精英主义”这样的指责？

与我们对诚实的执着密切相关的另一个特点，也是几乎为科学研究所独有的一个特点，就是怀疑的重要性。在我们向大众解释科学的运行机制时，这个特点有时候是我们最坏的敌人。我们会表示永远无法对某事物有绝对的把握，某个科学理论只是目前对相关解释的最佳猜测，只要该理论和新的观测或数据相矛盾，我们就必须准备好修改它，或用更好的理论取而代之。但是有人会说：“如果你们什么都不能确定，我们又怎么能相信你们告诉我们的东西？没有确定性，我们能依靠什么？”这种反应是可以理解的。想要“确定地知道”，而不只是有暂时的“最佳猜测”，这植根于我们的天性之中。

如果这么想，可就误解了科学取得进步的方式。科学值得信任的地方不是来自确定性，而是来自它面对不确定性的开放态度：科学总是对我们当下的理解提出疑问，也总是准备着在更好的解释出现时用更深刻的理解去取代现有的知识。在其他行业里，这种态度可能被当作反复无常，但在科学里不会。科学的进步正有赖于科学家对诚实和怀疑这两种品质的坚定信守。

关于科学家的思维方式，这里再举一个可能惊到你的例子。要是听说许多物理学家——除了那些为建造大型强子对撞机奉献了数年生命的人——曾一直希望希格斯玻色子不会被发现，人们一定感到震惊。是这样：要是找不到希格斯玻色子，就意味着标准模型的确有错误，这就为新的物理学理论开了一扇门。仅仅是确认我们已经推测为真的事情，并不如发现某个需要从至今还未被探索过的道路进行研究的事物那样让人激动。

另一方面，还有一些业余科学家，他们本心是好的，但有时会指责我们物理学家心态还不够开放，不能接纳他们的新理论，比如他们声称已经从爱因斯坦的相对论中发现了某些缺陷。说真的，我乐意见到爱因斯坦被证明是错的，那就意味着我们需要一个更好的新理论来替代他的理论，就像广义相对论革新牛顿万有引力定律那样。但是一个世纪以来，物理学家们一直在不懈地反复检验爱因斯坦的思想，而相对论经受住了所有这些考验，依然飘扬着胜利的旗帜。当然，有一天人们或许能发现一个更好的理论，它能解释相对论所能解释的一切，而且不止于此。但这样的理论迄今还没有被发现。

为了给物理现象找到更为基本的解释，人类已经持续努力了很多个世纪，作为这项努力的一部分，我们一直试图推翻现有的理论，不断检验它们，直至其崩塌。如果它们经受住了考验，那我们就相信这些理论……相信到更好的理论出现之时。

《欢迎来到物理学的世界》，[英]吉姆·勒阿尔-哈利利著，黄佳磊译，理想国｜上海三联书店2023年6月。