使用社交账号登陆

当前位置: 主页 > 前沿 > 心理 • 人文

哈佛大牛科学家:走上科研巅峰,靠的是简短

时间: 2020年01月06日 | 作者: Abraham Loeb | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
理论模型可以很复杂——但那些简洁的理论才是经典。


image.png

图为托勒密的世界观模型,相比之下,将其取代的哥白尼日心说体系要简洁的多(图片来源:Wikimedia)



撰文 | 亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)

翻译 | 张二七

审校 | 吴非


在最近的一次组会上,组里的博士后提出了这样一个问题:“理论模型是不是应该更复杂一些,这样我们对实验数据的解释就不会显得那么单薄了。”我当时非常震惊,并且意识到我有义务纠正这一误区。“简洁是一种优点,”我说道,“而不是一种缺点。当然,在许多缺少实验数据的理论物理分支领域中,研究者有时会引入一些花哨的数学推导过程。但作为物理学家,我们应当为数据寻求最为简洁的解释。这是物理学的立根之本,也是通往成功的必经之路。”


在过去几十年间,学界一直认为正是数据支持的缺失,才导致早期宇宙的理论模型如此简洁和朴素——其中只涉及了很少的几个参数。但直到21世纪,我们才有了足够的证据证明,宇宙在初始阶段的确处于最简单的状态,最初的宇宙中物质均匀分布并且呈各向同性,波动也很小。在此之后,才逐渐演化出我们现在观测到的复杂结构。这个存在了一个世纪的简明宇宙模型,就是现代宇宙学的基础。


我可以理解,在当今激烈的就业竞争中,一些初出茅庐的科学家有时会试图在论文中加入冗长的推理和高深的数学运算过程,来给前辈们留下深刻印象。另一位博士后最近告诉我:“在我的研究领域中,为了证明自己的能力,最近流行的一种方法就是把文章写得非常长,有的文章能有几百页,甚至更长。我现在就面临一个艰难的选择:长篇大论和短小精悍,写哪种文章才更有利于我的职业发展呢?”


很显然,写长篇大论需要更大的工作量,但科学研究可未必是种体力劳动。作为科学家,我们的任务应当是用最简洁的理论来解释某种现象,并且这个理论也应该能经得起更多实验数据的检验。根据奥卡姆剃刀定律(“如无必要,勿增实体”),如果答案可以是简洁的,那为什么要将其变复杂呢?


资助机构可能会偏爱那些长期的、可预测的研究项目,因为这些研究的预期成果相对确定。然而就结果的影响力来说,它们却往往不如那些简短但出人意料的研究。这是因为这些长篇累牍的论文的读者更少,对其理解自然也更流于表面。但是后者(简短的论文)中一个简单易懂的观点往往就能够激发科学界后续的广泛关注。因此这种简明扼要的文章,反而可以为科学家带来更好的工作前景。


image.png

本文作者亚伯拉罕·洛布


一些资深科学家也爱写长篇幅的文章,因为他们想把论文写得更准确,让他人挑不出毛病。尽管高深而复杂的论述过程常被认为是能力的证明,但只有简单易懂的表达才更有利于科学的发展。当记者询问“您是如何将自己的研究解释得如此清楚的”这类问题时,我的回答通常是:“因为我只描述自己理解的事情,并且承认有哪些部分是我不知道的。”其实,繁复的论述就像是戏剧中的烟雾,被人们拿来掩盖自己的无知。


著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)说过:“就好比诗人在创作中需要遵循某些语法和押韵的要求,我们也应该对物理学家的数学论证提出一些要求,让他们使用最简洁的表达方式。”事实上,量子力学波粒二象性理论的创立者路易·德布罗意(Louis de Broglie)的博士论文原稿就很简洁明了,但这篇简短的论文在5年后为他带来了诺贝尔奖。


并不需要埋头苦干,灵感通常都是在某个瞬间突然产生的。这就是数学家亨利·庞加莱(Henri Poincaré)的“顿悟”。比如,在量子电动力学的研究中,朱利安·施温格(Julian Schwinger)和费曼对同一组实验数据提出了两种不同的解释,想在数学上判断这两种假说正确与否非常困难。直到当时年仅24岁的弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在乘坐巴士时灵光一闪,简明扼要地证明了这两种解释是等价的。戴森表示:“我无法判断这个成果是否有我想象的那样伟大。我只知道,这肯定是我做出的最棒的研究。”这个简化论证不仅使他自己被普林斯顿高等研究院(Advanced Study in Princeton)授予终身教职,还让费曼和施温格共同获得了诺贝尔奖。


冗余的论述通常源于对参数的微调。一个理论中需要微调的地方越多,它对简单事实的解释能力就越弱。一个经典的例子就是托勒密在描述天体运动时建立的本轮体系。比起更简单的牛顿学说,这个假设在数学上太过复杂了。当宇宙学家试图引入新的参数来匹配新的数据,从而对宇宙暴胀和多重宇宙等理论进行逆向解析时,也应当小心这一点。最近,我与哈佛大学黑洞计划(Harvard's Black Hole Initiative)的博士后Feraz Azhar合作的一篇文章中就对这种微调进行了量化。


在回顾研究过程时,“灵光一闪”或许会显得微不足道,但抓到它们却是很难得的。埋头苦干得来的成果,就如同是位置显眼却难以企及的水果。与之相反,那些少见的顿悟更像是被人视而不见,却唾手可得的水果。当所有看得见也够得着的水果都被摘取后,科学家就只剩下这两种选项了。



本文作者:亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)是哈佛大学天文学系主任、哈佛大学黑洞计划创始主任、哈佛-史密松天体物理中心理论与计算研究所主任。同时,洛布还担任突破摄星计划理事会主席。


原文链接:

https://blogs.scientificamerican.com/observations/the-simple-truth-about-physics/