进化论、宇宙大爆炸、引力理论，这些都是大家耳熟能详的伟大科学理论。我们也时常听到“证明”(proof)这一概念，以及那些声称证明了这些理论的有效性的证据。例如，化石、基因遗传、和DNA证明了进化论；宇宙的哈勃膨胀，恒星、星系、重元素的演化，以及宇宙微波背景辐射的存在证明了宇宙大爆炸理论；坠落的物体、GPS时钟、行星运动和星光的偏折证明了引力理论。
○ 这张图片描绘了时空被大质量物体扭曲后导致的引力透镜效应。这是爱因斯坦的广义相对论的一个预言，牛顿引力在此失效。但即使如此，它也不可能“证明”爱因斯坦是对的。 | 图片来源：NASA, ESA, and Johan Richard
听起来一切都很不错——除去它是一个彻头彻尾的谎言之外！上述的这些存在只是为理论提供了非常有力的证据，但它们并不是证明。事实上，从科学角度出发，证明任何东西都是不可能的。
现实是一个复杂的存在。从经验主义的角度来看，我们必须以可被测量和观测的量作为指导。即便如此，对这些量的测量的好坏也取决于我们用来进行观测和测量的工具和设备的好坏。距离和大小测量取决于可使用的计量尺的好坏；亮度测量取决于是计算和量化光子能力的好坏；即便是时间，也取决于我们选择用来读取时间流逝的计时器本身。无论测量和观察本身有多好，在这个好上都存在局限。
同样，我们也无法对一切都进行观测或测量。即使假设宇宙不受基本量子定律支配，并假设也没有任何固有的不确定性，我们仍不可能做到在任何条件下对每个粒子的每一个状态进行实时测量。在某些时候，我们不得不进行推断。这种推断有着令人难以置信的强大功能和作用，但也有着令人难以置信的局限。
若要提出一个能在各种条件下预测会发生什么的模型，我们需要思考和了解以下这几个问题：
如果我们理解并掌控了这些问题，那么就拥有了正确的关键要素来建立一个科学理论：一个解释已知事物、并预测新的在未经验证过的情况下会发生什么的框架。
○ 如果你看的足够远，终将会追溯到宇宙的开端——138亿年前。这是大爆炸理论中所推断的宇宙的年龄。虽然我们现在观测到的所有事情都符合大爆炸理论的框架，但它永远不能被证明。 | 图片来源：NASA / STScI / A. Felid
我们现在拥有的最好理论，就像上述的进化论、宇宙大爆炸理论和爱因斯坦的广义相对论等等，都涵盖了所有这些基础。他们有一个潜在的量化框架，让我们能够预测在各种情况下会发生什么，然后再通过实验去验证这些预测。到目前为止，这些理论已经证明自己是非常有效的了。对于那些可以用数学公式来描述的部分，我们不仅可以知道应该发生什么，还能知道会怎么发生。在众多理论中，那些已经通过测量和观测来检验的理论已取得巨大成功。
但是，若以这样的有效性，以及证伪其他可能理论的能力来说，要做到科学上的证明是完全不可能的。
○ 导致红移的原因并非简单的归咎于星系离我们而去，而是在我们和星系之间的空间膨胀使光线在传播中产生红移。当然，这是基于我们目前的假设为正确的基础上，但该假设的有效性是无法被验证的，如果它是错的，那么目前所有从中得出的结论也都将是错误的。| 图片来源：Larry McNish of RASC Calgary Center
在科学中，你永远不知道你的假说、法则或逻辑步骤何时会突然不适用于想要描述的宇宙；你永远不知道你的假设何时会突然失效；你也永远无法知道在你已成功地将法则运用在A、B、C之后，是否还能成功地运用于D。
假定它仍能适用是一种抱着信念的一搏，虽然目前来说许多“搏”的结果往往是好的，但我们仍无法证明每一搏都能有效。如果自然规律随着时间的推移而变化，或在不同的条件、不同的方向、不同的位置上有不同的表现，或不适用于我们所需处理的系统，那么这些预测就是错误的。这就是为什么我们在科学领域所做的一切，无论验证的结果如何好，都始终是初步试验。
○ 标准模型的拉格朗日量，一个方程包含了所有标准模型中的粒子和相互作用。尽管这是我们目前已知最好的理论，但它很可能并非描述三种基本相互作用的完整拉格朗日量。（关于这个方程的更多解释可阅读
《简洁又美丽的标准模型方程》）。 | 图片来源：Thomas Gutierrez
即使在理论物理学中——所有自然科学中含有最多数学的学科——我们的“证明”也不是无懈可击的。如果我们对基本物理理论（或其数学结构）所做的假设不再适用，如果我们超出了理论的有效范围，那么我们“证明”的某些事物将是不正确的。如果有人告诉你一个科学理论已经被证明，你应该问一下他们所说的“被证明”具体指什么意思。通常情况下，他们指的是“他们自己确信这件事是对的”，或者“他们有足够强的证据表明某个特定的想法在特定的范围内是有效的”。但科学中，任何东西都无法被真正完全证实，它总是受到修订。
这并不意味着我们无法了解事物。相反，在许多方面，科学知识是我们可以获得的关于世界的最“真实”一面的途径。但在科学中，没有任何事情可被证明是毫无疑问的。正如爱因斯坦曾经说过的那样：
“理论学家是不会被人羡慕的。自然——或者更准确地说是实验——会对他们的工作进行无情的批判。它从不对理论说‘是’。在最好的情况下，它说‘也许吧’，在绝大多数情况下，它只说‘不’。如果一个实验与理论相符，则意味着是‘也许’，如果实验和理论不符，则意味着‘不’。很可能有一天，每个理论都会经历它的“不”，而还有大部分理论，在概念开始之初不久就已经遇到。”
○ 物理学家认为，标准模型中的三种基本力，甚至是引力，在宇宙早期的极高能量之下都能够被统一到同一个框架中去。这个想法已经吸引了许多科学家的追随，但它其实是一个完全没有被证明的猜想。然而，大多数物理学家都相信，这是理解自然的一个重要途径。（关于三种标准模型的相互作用的统一可进一步阅读
《让三种基本力统一吧！》 | 图片来源：Thomas Gutierrez
所以不要试图证明什么，而是试着说服自己。成为你自己最严厉的批判家和怀疑论者。每一个科学理论总有失效的一天，当这天到来之时，将预示着一个科学探索和发现的新时代的到来。在所有我们所提出过的科学理论中，最好的理论能在最长的时间和最大的范围内维持有效。从某种意义上说，这比证明更好：它代表的是这是对人类有史以来对物质世界的想象最正确的描述。
撰文：Ethan Siegel
翻译：萌大统领
发表于 2017-12-6 07:13
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