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科學最美妙的地方在於其複雜中的簡單，簡單中的複雜。對於科學家來說，最幸福的時刻莫過於在複雜事物中“窺探”到背後簡單的規律，“火候剛剛好”的幾個引數或公式看起來幾乎完美無瑕。不過歷史上偉大的科學家都是在事實的基礎上尋找最簡單的理論。
編譯 | 王怡博 白德凡
2021年10月5日，“複雜系統”（Complex Systems）這幾個大字赫然出現在諾貝爾物理學獎的官方網站上，這是複雜性科學研究第二次獲得諾貝爾獎的青睞，同時也將“複雜系統”這個看似陌生的科學詞彙推向了輿論的中心。複雜性科學致力於為一些特殊的複雜現象找到最簡單的解釋規則——事實上，這也是大多數科學家畢生都在實踐的理念。為什麼科學家一直在追求理論的簡單化？
奧卡姆剃刀原理
科學家對簡單性的偏愛可以一直追溯到中世紀。奧卡姆的威廉（William of Occam）針對當時繁冗的形而上學爭論提出了“如無必要，勿增實體”的主張。後人加以衍生，把這條原則用在了科學理論的構建上，稱之為“奧卡姆剃刀原理”（Occam’s Razor）。這個原理認為，對於同一個現象的幾種有效解釋中，我們應該相信最簡單的那個。而在此之外新增的各種冗餘假設，應當被剃刀給“剃掉”。
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所以，假如你路過一所房子，聽到了汪汪和喵喵的叫聲，那麼你應該認為這家人養了狗和貓，而不應該假設他們養了狗、貓和一隻不會叫的兔子。當然，兔子也可能是這家人的寵物，但現有的觀察資訊並不支援這個更復雜的假設。奧卡姆剃刀原理建議我們保持模型的簡單性，直到新觀測到的現象不足以用現有的模型解釋。例如，你又從這戶人家的視窗看到一雙長長的耳朵，這時你才有必要把兔子加入你的假設中來。
在奧卡姆剃刀原理提出後的幾個世紀裡，偉大的科學家用這條原理鍛造了現代科學。數學家克勞狄·托勒密（Claudius Ptolemy）用一種拜占庭式的複雜理論，給出了以地球為中心的行星運動模型。而哥白尼（Copernicus）反對托勒密的“地心說”而提出的“日心說”，用更少、更簡單的運動方程描述了行星的運動現象。事實上，相比於“地心說”，哥白尼的“日心說”最大的優勢就在於“簡單”。
托勒密的地心說。圖片來源：Wikipedia
現代科學的許多進步都涉及到一系列的簡化，要麼是透過統一以前完全不同的現象，要麼是透過消除多餘的實體。其中最偉大的例項或許是牛頓提供的，他僅僅用了三條運動定律和一個萬有引力公式，就統一了地面和天上的各種運動。而後在19世紀晚期，路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）將牛頓定律擴充套件到微觀領域，將熱現象簡化為原子的運動，由此熱現象也遵循牛頓力學了。再後來的愛因斯坦則將空間和時間統一到單一的實體——時空中，實現了物理學中最重要的簡化。查爾斯·達爾文（Charles Darwin）和阿爾弗雷德·拉塞爾·華萊士（Alfred Russel Wallace）更是將整個自然世界統一在了一個定律下——自然選擇，其中華萊士就提到：“理論本身應該是極其簡單的。”這些科學家都認為他們的工作是消除不必要的複雜性，為觀測到的現象提供一種最簡單的解釋方案。
為什麼要選擇簡單？
為什麼理論越簡單，越有可能推動科學的進步？以英國統計學家托馬斯·貝葉斯（Thomas Bayes）命名的統計方法貝葉斯推理（Bayesian inference），或許可以解釋這一點。使用這套統計方法，我們能夠基於不同階段已知的資訊，更新對某一解釋、理論或模型的信念程度。
想象你有一個朋友，他有兩個骰子。一個是簡單的6面立方體，另一個則有60個面，可以擲出60個不同的數字。假設你的朋友秘密地擲出一個骰子，然後告訴你得到的點數，比如是5，你能猜出她更有可能擲出的是哪個骰子嗎？就像地心說和日心說都可以解釋天文資料一樣，6面骰子和60面骰子都有可能擲出點數5。但它們是等機率的嗎？貝葉斯推理的答案是否定的，它根據產生資料的可能性對可選模型進行加權。6面骰子擲出5的機率是1/6，而60面骰子擲出5的機率只有1/60。那麼，比較可能性，點數5來自6面骰子的可能性是60面骰子的10倍。
簡單性備受科學家青睞也是這個道理。簡單的模型可供調節的引數更少，它們能夠有效解釋的現象的範圍也更小。如果它們恰好符合觀測現象，那麼很有可能它們揭示的正是現象背後的客觀規律。而模型一旦變複雜，有了更多的引數可調節，它們能夠有效解釋的現象的範圍更大了：對於任何一組觀測資料，這些複雜理論透過精巧地調解引數，都能使理論與資料相符。這樣的複雜理論看似解釋了更多的現象，然而距離現象背後的客觀規律也更遠了。
剃一剃我們的宇宙？
1965年5月，射電天文學家阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）用霍姆德爾喇叭天線（Holmdel Horn Antenna）——巨大的、看起來像是喇叭的裝置，“聆聽”來自宇宙的聲音。他們試圖校準天線以減少噪聲，但當他們把天線對準星系外一片只有少量恆星的黑暗區域時，他們並沒有得到預想中的一片寂靜，相反他們意外地“聽”了嘶嘶的聲音——充滿了整個天空的嘶嘶聲。
這次偶然的發現支援了宇宙的“熱爆炸”模型——宇宙最初非常小，熾熱且緻密，然後逐漸冷卻並向外膨脹。他們“聽”到的嘶嘶聲是宇宙大爆炸的餘輝——物質冷卻後，在浩大的宇宙空間中被稀釋所形成的遺蹟，這在天文學中被稱為“宇宙微波背景輻射”（cosmic microwave background）。科學家將宇宙最初的形態簡化為了一個密度很大的點——奇點（singularity），類似於物理學中把一個物體看作一個質點，它們都符合物理學模型的基本特點之一：簡單。
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不過，科學家也不總是從一開始就能想到“簡單”的理論。當愛因斯坦試圖將引力納入相對論時，他一開始在模型中使用了非常多的引數，力圖將所有已知的資訊整合到模型中。然而，十年來在複雜方程式中的苦苦掙扎卻以失敗告終，愛因斯坦最終還是擁抱了“奧卡姆剃刀”，把他的方程改得儘可能地簡單、優雅，最終得到的理論日後不斷被觀測所驗證。
那麼我們現有的其他物理理論足夠簡單嗎？為什麼在粒子物理標準模型中的粒子中有17種之多？如果宇宙是簡單的，為什麼每秒鐘都有萬億個幾乎沒有質量、又是電中性的中微子穿過我們的身體？中微子會不會是需要被“剃掉”的不必要實體？另一個不必然實體或許是神秘的暗物質，我們目前沒有觀測到任何直接證據表明暗物質存在，這會不會又是一個將來會被證明為虛構的物理模型？
事實上，中微子和暗物質的提出正是因為我們觀測到了舊有的簡單理論解釋不了的新現象。上世紀20年代的物理學家困惑於β衰變過程中能量不守恆的現象，從而提出存在一種新的粒子，從反應中帶走了部分能量，中微子就這樣被發現了。在將這個新現象納入已知資訊後，存在中微子的假說依然是能夠解釋已知物理現象中最簡單的。
暗物質也是如此。上世紀70年代，天文學家發現大量星系邊緣的旋轉速度比引力理論的預測要更大。於是天文學家猜測，可能存在我們看不到的物質，它們包裹著星系，提供了額外的引力，讓星系自轉速度保持在較高水平。暗物質正是為了解釋舊有的引力理論無法解釋的新現象而加入到粒子物理模型中。
當然，科學沒有盡頭，目前的標準模型也並不是我們宇宙的終極答案。未來的科學探索，一方面將會發現更多現有理論解釋不了的現象，促使我們一步步調整理論，增加一些“必要的”實體；另一方面，基於目前已經觀測到的現象，科學家依然可以嘗試建立起更簡單的模型。
比如對於引出暗物質的現象，部分科學家主張不需要新增一種現在沒有任何觀測證據的粒子，而是透過修改現有的引力理論解釋。這樣，雖然修改後的引力理論比原先的要複雜，但是比起引入暗物質，這套理論解釋新現象的方式更為簡單。這依然符合奧卡姆剃刀原理。在塵埃落定之前，科學家們要從這兩方面做出更多的努力，尋找那個相對正確的自然規律。在這個過程中，我們依然可以見證奧卡姆剃刀原理的指導作用。
原文連結：
https://aeon.co/essays/why-is-simplicity-so-unreasonably-effective-at-scientific-explanation
原標題：簡單：宇宙的終極答案？
來源：環球科學
編輯：Garrett
