顛覆科學原理的三個步驟
原載：福布斯2018.7.31
原作：Ethan Siegel
編譯：人定湖學者
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/07/31/how-to-overthrow-a-scientific-theory-in-three-easy-steps/#1cdfd97f7e2d
與生活中的許多事物一樣，科學總是在不斷髮展。一個成功的科學理論可以回答一些問題，它可以準確描述一些自然現象，甚至可以做出強有力的預測，但它在時間和空間上都會受到根本限制。任何理論，無論多麼成功，期有效性都是有限的。在這個有效範圍之內，你的理論看起來非常符合其描述的現實; 而一旦走出它，其預測就不再與觀察或實驗相匹配，任何理論都是如此。牛頓力學在小尺度（量子）和高速度（相對論）下就會瓦解; 愛因斯坦的廣義相對論在一個奇點上被打破了; 達爾文的進化打破了生命起源學說。
今天最好的理論明天也可能被別的科學所取代，這就是科學。
16世紀最大的難題之一是行星如何以移動。這可以通過托勒密的地心說模型（L）或哥白尼的日心說（R）來解釋。然而，任何人都無法做到正確的細節。儘管這兩種模型都很有趣，但如果發現另一顆新行星，那麼就沒有人會說太多。ETHAN SIEGEL /超越銀河系
第0步：認識既有理論的成功與失敗
眾所周知，科學理論的聖盃就是所謂的終級理論。這是愛因斯坦的終極夢想，並且仍然是許多其他科學家在各個領域的夢想。在給定任何初始設置和條件的情況下，這樣的理論將預測宇宙中的所有自然現象。您可以提前計算任何實驗設置的結果; 你可以預測任何系統將如何隨意地發展到未來。你面臨的唯一限制是計算能力，而不是理論本身的侷限性。
標準模型粒子及其超對稱對應物。已經發現略低於50％的這些顆粒，只有超過50％的顆粒從未顯示它們存在的痕跡。超對稱是一種希望改進標準模型的想法，但它還沒有試圖取代流行的理論來實現“第3步”。克萊爾大衛/歐洲核子研究中心
但我們現在還沒有關於一切的終級理論; 我們有一系列非常成功的理論，這些理論都具有本質上的侷限性。在每個領域，我們都可以觀察到現象或者我們可以設計的實驗，其中我們最好的理論的預測要麼與數據相矛盾，要麼產生無意義。此外，經常會出現一些我們無法用已有理論解釋的問題或難題。
為什麼中微子有質量？為什麼宇宙由大量物質組成而不是反物質？當電子通過雙縫時，它的引力場會發生什麼？為什麼基本常數具有它們具有的值？觀察到的一種無法解釋的現象，但沒有一種理論來預測它，往往是科學革命的推動力。這是我們的出發點。
在牛頓的引力理論中，軌道在單個大質量周圍發生時會形成完美的橢圓。但在廣義相對論中，由於時空的曲率，存在額外的進動效應，並且這導致軌道隨時間移動，有時是可測量的。水星以每個世紀43“的速度進動; OJ 287中較小的黑洞以每12年軌道39度的速度進行。
第1步
重現既有理論的所有成功
那麼，你有了一個新的理論，你希望它能取代目前領先的理論?太棒了!你的首要任務是證明你的新理論不會在舊理論成功的地方失敗。流行的理論越成功，實現這一目標的難度就越大。例如:
想要取代廣義相對論?你必須解釋引力透鏡效應、水星軌道的進動、引力紅移、夏皮羅時間延遲，以及最近的黑洞和中子星合併產生的引力波。
任何物體或形狀，無論是物理的還是非物理的，都會在引力波穿過時變形。根據廣義相對論，每當一個大質量加速通過一個彎曲的時空區域時，引力波發射是不可避免的結果。美國宇航局/艾姆斯研究中心/ C. 亨策
想要超越達爾文進化論？你需要解釋生物多樣性的出現，對選擇壓力的反應，以及遺傳如何發揮作用等。
想改進玻爾原子？你必須至少重現解釋原子中各種能級的成功，以及盧瑟福和其他原子核的散射實驗。
這也意味著，你的新理論不能做出與已有發現或已經進行的實驗相矛盾的新預測。僅僅選擇這些預測是不夠的; 你必須重現先前理論的每一個成功。如果你不能達到想取代的東西同樣的高度，你就無法超越它。
由兩個鏡子之間的光子反射形成的光時鐘將為觀察者定義時間。即使是狹義相對論，有了它的所有實驗證據，也無法證明，但它可以通過測試驗證或證偽。這些規則僅適用於空間和時間相同“事件”的兩名觀察者。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
在既有理論無效之地取得成功
我們只想到了一個更好的理論，因為有一些動力或動力驅使我們創造一個。（記住，我們在這裡有一個“第0步”！）舊理論有些不對勁; 有些東西無法解釋。牛頓物理學無法解釋快速運動粒子的力學; 光的射線理論無法解釋干涉模式; 普遍的萬有引力定律無法解釋水星的軌道。
太陽系內部行星的軌道並不完全是圓形的，但它們非常接近，水星和火星具有最大的偏離和最大的橢圓度。在19世紀中葉，科學家們開始注意到水星運動偏離牛頓引力的預測。NASA / JPL
所有這些謎題導致了許多新的想法來解釋這些現象，但並不是所有的想法都能重現先前的成功。例如，Urbain Le Verrier提出了一種假想的行星（被稱為火神星）以解釋水星的異常軌道。而西蒙•紐科姆和亞薩聲稱，如果你修改一下牛頓的萬有引力定律,把引力隨距離的平方下降，改為隨距離的2.0000001612次方下降，你就可以解釋水星的運動。而愛因斯坦則徹底拋棄了牛頓，用時空彎曲取代了引力的“超距作用”。
所有這些想法都經過多年的認真考慮; 當他們面對最重要的第三步時，除了愛因斯坦一個人之外，其他人都被淘汰了。
候選行星Vulcan的候選範圍。對一顆行星進行了詳盡的搜索，這可能是牛頓引力背景下水星的異常運動的原因，但是沒有這樣的行星存在，這簡化了對我們太陽系內部行星的預測。WIKIMEDIA COMMONS用戶REYK
第3步
做出全新的、可檢驗的預測
如果有一個新行星影響了水星，它應該可以通過望遠鏡探測到。如果紐科姆和霍爾的引力理論是正確的，它將以與觀測不符的方式影響月球的運動、金星和地球的軌道。而如果愛因斯坦是正確的，那就意味著當空間被質量彎曲時，背景光源應該遵循彎曲的而不是直的路徑。1919年的日全食期間，愛因斯坦的預測接受了嚴峻考驗。
紐約時報和倫敦新聞畫報的標題不僅顯示了報道質量和深度的差異，而且還顯示了兩個不同國家的記者在這種令人難以置信的科學方面所表達的興奮程度。突破。事實上，根據愛因斯坦的預測的數量，光德彎曲現象被觀測到了。紐約時報，1919年11月10日; 插圖倫敦新聞，1919年11月22日
你瞧，根據愛因斯坦的預言，光會彎曲!在一場巨大的革命中，我們有了一種新的引力理論，在過去99年裡多次經受考驗，並在任何高質量的觀測或實驗中通過了考驗。經過類似的理論發展和實驗/觀察證實，我們得出了科學理論，從遺傳學和DNA到大爆炸、宇宙膨脹和暗物質。這些並不是我們最偉大的理論，因為數學很漂亮，或者它們與我們的直覺很吻合，但因為它們很成功地描述了宇宙中的自然現象。。
宇宙中最大規模的觀測，從宇宙微波背景到宇宙網，再到星系團到個別星系，都需要暗物質來解釋我們觀察到的東西。但即使是暗物質理論也存在問題，並且有可能在某一天被修正甚至取代。CHRIS BLAKE和SAM MOORFIELD
隨著科學越來越發達，證據越來越豐富，創建單一理論來來對完整數據集做出解釋就顯得更加艱鉅，但這正是最成功的理論所要做到的。不管一個想法在過去有多成功，只需要一個前後不一致的觀察就能讓整個事情充滿疑問。隨著新證據的收集，我們今天最偉大的科學理論很可能在未來全部失敗。
大規模的中微子是標準物理模型之外的一種暗示; 黑洞信息悖論是一種超越廣義相對論的引力; 有性生殖的事實不可否認，但它的產生方式仍然未知。這些謎題和許多其他謎題可能成為巨大科學進步的先兆。
在此之前，我們惟有在科學的前沿不斷探索，通過上述三個步驟更好的瞭解宇宙。
（全文完）
作者簡介：伊桑•西格爾（Ethan Siegel），天體物理學家、科普作家。代表作有《Beyond The Galaxy》和《Treknology 》
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