超弦行业的魔鬼经济学
http://blog.tianya.cn/blogger/post_show.asp?idWriter=0&Key=0&BlogID=588265&PostID=6974387--2006-10-4
今天看到纽约人杂志和 Physics Today 同时刊登了针对超弦理论的措辞强硬的文章。我感到这个物理学中最性感的理论很可能正在经历一场政治危机。这两篇文章都可以在网上看到：
http://www.newyorker.com/printables/critics/061002crat_atlarge
http://www.physicstoday.org/vol-59/iss-10/p8.html
不知道各位看了这两篇文章有什么感觉。我想谈一点想法，首先顺便把超弦理论的现状学习一下。
物理学家追求一个统一理论，或者说“终极理论”，a theory of everything，我理解说统一也就是四种相互作用的统一。1970年代电磁，强，弱，这三种理论同意在标注模型之下。标准模型是个非常成功非常精确的理论，但是无法把引力也统一进去。也就是说在微观尺度有标准模型，在大的宏观尺度有广义相对论，但是二者无法统一起来。
为什么一定要把引力跟标准模型统一，实际的需要是在早期宇宙，比如说暴涨之前的时空奇点，尺度那么小所以一定是量子力学的，但是质量又那么大引力不可忽略，所以两个理论必须同时起作用，可是现在我们的两个理论都假设对方不存在。
可能在某些物理学家看来更重要的原因是不统一的理论缺乏美感。宇宙就好像围棋一样，虽然战术非常复杂，但是规则应该是简单的。物理学家的梦想是找到一组能够完美描写物理定律的方程，这组方程应该是非常简单而和谐的，以至于可以印在T恤衫上。目前的标准模型就是个丑陋的理论，它有20多个参数需要靠试验测定，一个理想的理论应该可以自己计算出来这些参数，比如为什么精细结构常数差不多等于1/137，最好就没有什么需要输入的参数。
超弦是现在看来的唯一希望。这个理论说基本粒子就好像蜷曲的琴弦，弦的不同震动模式对应于不同的能量。。。这个理论的一个好处是解决了方程的发散问题。超弦理论还要求空间是9维或者10维的，除了我们所见的三维之外其他的都太小目前不可观测。这个理论听起来有点怪异但是在数学上是和谐的。一开始的时候一共有至少五种不同的超弦理论，一直到1995年 Witten 指出这五种理论实际上可能统一于一个更深刻的理论，也就是 M-theory，这个理论说弦不一定是一维的，也可以是膜，也就是 brane.
这差不多就是我以前所知道的超弦理论。当时我记得看《科学美国人》上面一篇文章恶搞牛顿的名言说，在21世纪的物理学家看来20世纪的物理学家就好像在海边玩耍的小孩子，偶然被超弦贝壳所吸引，却忽视了他们背后 M 理论的汪洋大海。M 被 Witten 解释成可以代表 magic, mystery, membrane，有些物理学家认为应该代表 matrix 或者 mother, 我记得同学说他认为应该代表 Mathematics。格拉肖调侃说 M 是不是 Witten 的 W 倒过来啊，居然有人恶搞说 M 代表 masturbation。
这个理论有两个问题，现在正在受到攻击。从这两篇文章来看，可能目前的情况是这样的：
首先超弦不能在实验上检验，因为没有加速器能达到那么高的能级。这还不是主要的，最大的问题是超弦理论的解有无穷多种（这是physics today的说法，纽约人杂志的说法是10^500个），这些解在数学上都是对的，解的集合称为“landscape”,问题是我们的宇宙只有一个。超弦物理学家对此的解释居然是人则原理：这些不同的宇宙都存在，我们只不过碰巧生活在其中一个适合人类生存的宇宙之中罢了。
其实即使考虑人则原理解也不是唯一的，今年在PRD上的一篇文章就构造了一个其它方面跟我们一样但是若耦合常数为0的宇宙，并证明这个宇宙同样适合人类生存。
如果解不唯一，超弦理论就有一点“后现代”的味道，因为传统上认为科学必须是可证伪的，现在你说这么多宇宙类型都可能，又无法对我们的宇宙做出任何预言，到底是 a theory of everything 还是 a theory of nothing 啊？这是玩数学不是玩物理。
霍金今年在PRD上发了一篇文章，看起来有点希望。这篇文章中霍金猜测也许可以用外加边界条件的办法说明这些解的概率分布不同，也许可以证明我们的宇宙存在的概率比其它的解要大一些。
超弦的另一个问题是既然不能追求真实，干脆追求美感，好的理论是美的理论，美的理论就是正确的理论。一个常用技术是要求对称性，比如说超对称。比如计算中发现某个量发散，就看看能不能通过要求一种对称性来使这个量变小。Physics Today 文章把这个技术叫做 naturalness，并指出这个思路可能是错误的。他举例说当年大家曾经想通过寻找对称性的方法来使宇宙常数等于零，但最近发现宇宙膨胀正在加速这一事实说明宇宙常数不是零，而是一个很小的数字。如果你总去寻找对称性你可能在错误的方向上。
另外说美什么叫美？没有相对论的时候难道大家不觉得牛顿力学很美么？如果说对称才叫美现在的情况是对称性要求可能是错的，等到2008年 CERN 的 Large Hadron Collider 开始工作就会证明超对称到底有没有。
既然超弦有这么严重的问题，30多年没有突破性进展，为什么到现在这么多人还在搞，而且还是主流？因为没有人有机会去尝试别的理论。每年差不多有80个粒子物理phd毕业，其中只有10个人最终可以找到一个终身职位，竞争是相当激烈的。大牛人都在做超弦，如果你想获得认可你唯一的办法就是发表超弦论文。
超弦行业就好像是一个教派。这个理论已经存在了如此长的时间，都是一些猜想，但是里面的人都相信，没人敢于质疑。有人调侃说，还不如直接说我们这是基于信仰的科研，没准更容易得到布什政府的经费支持。
真正推动物理学发展的是那些有眼光的思想家，但是现在的学术系统选拔的是玩数学有技术的手艺人。
我看到这两篇文章有点震惊，跟我老板闲聊说，做超弦也花不了多少经费，谁愿意做就做，何必如此攻击人家呢？ 我老板一句话我就明白了：因为大学物理系的职位被大量做超弦的人所占据。
原来这两篇文章所针对的是“超弦既得利益集团”啊！
现在我们需要一点魔鬼经济学（Freakonomics）了。既然是竞争激烈年轻人必须做超弦，为什么那些功成名就的人不去尝试点别的？
答案还是incentive，也就是科研经费。你写proposal申请经费，比较容易获得批准的办法是先说这个领域已经做到什么程度了，我在此基础上打算怎么做，人家觉得你有谱，容易批。如果你上来说我有一个全新的思想，人家以为你是民间科学家。即使是已经成名的人可能也不愿意冒这个险。
别的领域搞什么研究项目一般是由市场或者国家需要来决定的，但是理论物理领域似乎不太一样。当年申请建费米实验室，物理学家被要求说明这个实验室对国防有什么帮助。物理学家是这么回答的：跟国防没有直接关系，但是建成之后可以增加我们国家的荣耀，从而使这个国家更值得去防卫。
现在物理学家说我们要搞统一理论，很可能政府也不知道这东西到底有什么用，但是长远考虑没准有用呢。我的博士导师曾经有一次跟我说，能源部居然给搞超弦的人经费。我说是啊他们还挺有远见的。我老板说不是，我的意思是说我很惊讶搞超弦也能拿到经费！
我想正是因为发经费的人也不特别知道为什么要发这个经费，这一领域的研究完全是自己推动自己，自圆其说，很像数学，也好像一个教派一样。
http://blog.tianya.cn/blogger/post_show.asp?idWriter=0&Key=0&BlogID=588265&PostID=13692750--2008-5-8
前面谈论关于物理学家怎么搞科研的话题很有意思，现在另开一贴专门讨论。我先说几句我的认识，抛砖引玉。
同学认为一个搞科研的好方法是8年潜心，用不重要的课题去养活自己做一个重要的课题，然后一鸣惊人，这种事情我只听说证明费马大定理的时候发生过。对现代物理学来说，这个案例既不典型，更没有推广价值。
物理学科研的特点是所有结果都建立在同时期其他人的结果之上。对我干的这个具体小领域来说，不存在特别牛的天才，到一定程度之后大家能力实际上差不多。从牛人论文中获得灵感这种研究方法起到的作用不是很大。我现在看论文，最重要的是这些论文的结果是什么，而不是方法。因为方法就是那么几下子，没什么特别新的。限制结果的主要是知识积累效应导致的量变质变，然后是实验数据和计算机能力的发展，而不是有人突然变聪明了。（我念研究生的时候精读过一篇1963年的论文，那篇文章的确很好，收获很大。对我来说它最大的意义是让我学会了这一行的理论是怎么做出来的，哪些地方适合做大刀阔斧的假设。然而一旦入门之后，类似的文章意义就不是很大。）
要想干主流工作，必须随时了解领域的最新进展。大家对相关事实的理解一年也会有很大变化。不用说不看或者少看最新论文，我老板去年一次APS会议有事没去，都感到落后了，因为他不知道那几个人现在在干什么。我搞科研不是很勤奋，每天主要工作时间是做事，看论文的时间只能主要用于看比较新的相关论文，老论文再经典，我也仅限于知道它说什么，写文章的时候引用正确即可。而专业书籍的作用就更小，仅仅作为工具书。一本2000年出版的领域内专著，现在再看目前所有最有活力的课题在上面都找不到了。
一个物理学家的专业精神和职业本分，就是必须有新发现。很多人把物理当成一个艺术，一个文化，甚至是禅宗之类供人修身养性的东西。其实物理学这个行业本质上是一个business，而且竞争相当激烈。物理研究的技能，本质上是一个手艺，而不是什么神秘素质。（这一点跟数学行业可能不太一样）。
物理这个行业的工作机制是这样的：DOE/NSF/NASA等机构组织一帮老头子开会决定有什么问题是现在感兴趣的重要问题，出一个call for proposals，各个组则写proposal申请经费。然后政府把钱拨给各个研究组，这些组的科学家用这些经费搞研究，做出好的结果之后，用这些结果做资本再去申请新的经费。经费对于向哪个方向研究和让哪些人来研究都起决定性作用。从这个角度上说物理行业就好比拍电影，选题的时候要考虑市场最新流行趋向，拍摄的时候要考虑票房。
有人可能说现在主流的课题都不重要，我要自己做一个非主流但是更重要的课题，这行不行呢？我认为不可能。现在的物理学，没有足够经费支持，没有合作者，没有同行讨论，这样搞科研是不可能搞出来的。哪怕是做理论物理，不要实验设备，不要高级计算机，一张纸一支笔，单打独斗行不行呢？也不行，因为你至少需要开会的经费去跟同行讨论。
现代物理对合格的物理学家的要求至少有两个：
1. 必须知道相关领域其他组正在干什么。也就是说只看发表出来的文章是不行的，得别人还在做的时候你就知道他们在做这个。只有这样才有竞争力，要scoop别人，不要让别人给scoop了。
2. 必须让别人知道你在干什么。也就是说像小黄说的那样，他的文章别人都了解。我刚进这个领域一篇文章还都没发的时候，在会议上出过poster。结果居然收到一封匿名信：告诉你一个谣言，xx最近得到这个结果，而我们最近得到这么个结果，你正在做的这个事，能不能往这个方向看看，以便将来出了论文跟我们两家比较？这种竞争也是搞科研的一个乐趣。
我下半年开始要转去做的一个课题，上周刚谈完。老板的要求很明白，这是这个领域的最重要问题，我们组现在申请到钱要插进去有所作为。你来了必须take the leadership role，要影响整个community。几十万美元的项目让我做，如果我认为这个项目不够好我拿它糊口我自己私下再做别的秘密项目，我根本就不应该接手，这就是职业道德。如果说我认为现在我发不了好文章，我需要潜好几年好好学习学习新领域，我就应该立即离开物理行业，这就是专业素质。
如果让我对物理系大一新生讲话，我的开场白是这样的。欢迎加入物理行业。我们这个行业跟其他所有竞争性行业一样，我们既不比别的行业神秘也不比别的行业高级，尽管我们有很多英雄人物。
今天看到纽约人杂志和 Physics Today 同时刊登了针对超弦理论的措辞强硬的文章。我感到这个物理学中最性感的理论很可能正在经历一场政治危机。这两篇文章都可以在网上看到：
http://www.newyorker.com/printables/critics/061002crat_atlarge
http://www.physicstoday.org/vol-59/iss-10/p8.html
不知道各位看了这两篇文章有什么感觉。我想谈一点想法，首先顺便把超弦理论的现状学习一下。
物理学家追求一个统一理论，或者说“终极理论”，a theory of everything，我理解说统一也就是四种相互作用的统一。1970年代电磁，强，弱，这三种理论同意在标注模型之下。标准模型是个非常成功非常精确的理论，但是无法把引力也统一进去。也就是说在微观尺度有标准模型，在大的宏观尺度有广义相对论，但是二者无法统一起来。
为什么一定要把引力跟标准模型统一，实际的需要是在早期宇宙，比如说暴涨之前的时空奇点，尺度那么小所以一定是量子力学的，但是质量又那么大引力不可忽略，所以两个理论必须同时起作用，可是现在我们的两个理论都假设对方不存在。
可能在某些物理学家看来更重要的原因是不统一的理论缺乏美感。宇宙就好像围棋一样，虽然战术非常复杂，但是规则应该是简单的。物理学家的梦想是找到一组能够完美描写物理定律的方程，这组方程应该是非常简单而和谐的，以至于可以印在T恤衫上。目前的标准模型就是个丑陋的理论，它有20多个参数需要靠试验测定，一个理想的理论应该可以自己计算出来这些参数，比如为什么精细结构常数差不多等于1/137，最好就没有什么需要输入的参数。
超弦是现在看来的唯一希望。这个理论说基本粒子就好像蜷曲的琴弦，弦的不同震动模式对应于不同的能量。。。这个理论的一个好处是解决了方程的发散问题。超弦理论还要求空间是9维或者10维的，除了我们所见的三维之外其他的都太小目前不可观测。这个理论听起来有点怪异但是在数学上是和谐的。一开始的时候一共有至少五种不同的超弦理论，一直到1995年 Witten 指出这五种理论实际上可能统一于一个更深刻的理论，也就是 M-theory，这个理论说弦不一定是一维的，也可以是膜，也就是 brane.
这差不多就是我以前所知道的超弦理论。当时我记得看《科学美国人》上面一篇文章恶搞牛顿的名言说，在21世纪的物理学家看来20世纪的物理学家就好像在海边玩耍的小孩子，偶然被超弦贝壳所吸引，却忽视了他们背后 M 理论的汪洋大海。M 被 Witten 解释成可以代表 magic, mystery, membrane，有些物理学家认为应该代表 matrix 或者 mother, 我记得同学说他认为应该代表 Mathematics。格拉肖调侃说 M 是不是 Witten 的 W 倒过来啊，居然有人恶搞说 M 代表 masturbation。
这个理论有两个问题，现在正在受到攻击。从这两篇文章来看，可能目前的情况是这样的：
首先超弦不能在实验上检验，因为没有加速器能达到那么高的能级。这还不是主要的，最大的问题是超弦理论的解有无穷多种（这是physics today的说法，纽约人杂志的说法是10^500个），这些解在数学上都是对的，解的集合称为“landscape”,问题是我们的宇宙只有一个。超弦物理学家对此的解释居然是人则原理：这些不同的宇宙都存在，我们只不过碰巧生活在其中一个适合人类生存的宇宙之中罢了。
其实即使考虑人则原理解也不是唯一的，今年在PRD上的一篇文章就构造了一个其它方面跟我们一样但是若耦合常数为0的宇宙，并证明这个宇宙同样适合人类生存。
如果解不唯一，超弦理论就有一点“后现代”的味道，因为传统上认为科学必须是可证伪的，现在你说这么多宇宙类型都可能，又无法对我们的宇宙做出任何预言，到底是 a theory of everything 还是 a theory of nothing 啊？这是玩数学不是玩物理。
霍金今年在PRD上发了一篇文章，看起来有点希望。这篇文章中霍金猜测也许可以用外加边界条件的办法说明这些解的概率分布不同，也许可以证明我们的宇宙存在的概率比其它的解要大一些。
超弦的另一个问题是既然不能追求真实，干脆追求美感，好的理论是美的理论，美的理论就是正确的理论。一个常用技术是要求对称性，比如说超对称。比如计算中发现某个量发散，就看看能不能通过要求一种对称性来使这个量变小。Physics Today 文章把这个技术叫做 naturalness，并指出这个思路可能是错误的。他举例说当年大家曾经想通过寻找对称性的方法来使宇宙常数等于零，但最近发现宇宙膨胀正在加速这一事实说明宇宙常数不是零，而是一个很小的数字。如果你总去寻找对称性你可能在错误的方向上。
另外说美什么叫美？没有相对论的时候难道大家不觉得牛顿力学很美么？如果说对称才叫美现在的情况是对称性要求可能是错的，等到2008年 CERN 的 Large Hadron Collider 开始工作就会证明超对称到底有没有。
既然超弦有这么严重的问题，30多年没有突破性进展，为什么到现在这么多人还在搞，而且还是主流？因为没有人有机会去尝试别的理论。每年差不多有80个粒子物理phd毕业，其中只有10个人最终可以找到一个终身职位，竞争是相当激烈的。大牛人都在做超弦，如果你想获得认可你唯一的办法就是发表超弦论文。
超弦行业就好像是一个教派。这个理论已经存在了如此长的时间，都是一些猜想，但是里面的人都相信，没人敢于质疑。有人调侃说，还不如直接说我们这是基于信仰的科研，没准更容易得到布什政府的经费支持。
真正推动物理学发展的是那些有眼光的思想家，但是现在的学术系统选拔的是玩数学有技术的手艺人。
我看到这两篇文章有点震惊，跟我老板闲聊说，做超弦也花不了多少经费，谁愿意做就做，何必如此攻击人家呢？ 我老板一句话我就明白了：因为大学物理系的职位被大量做超弦的人所占据。
原来这两篇文章所针对的是“超弦既得利益集团”啊！
现在我们需要一点魔鬼经济学（Freakonomics）了。既然是竞争激烈年轻人必须做超弦，为什么那些功成名就的人不去尝试点别的？
答案还是incentive，也就是科研经费。你写proposal申请经费，比较容易获得批准的办法是先说这个领域已经做到什么程度了，我在此基础上打算怎么做，人家觉得你有谱，容易批。如果你上来说我有一个全新的思想，人家以为你是民间科学家。即使是已经成名的人可能也不愿意冒这个险。
别的领域搞什么研究项目一般是由市场或者国家需要来决定的，但是理论物理领域似乎不太一样。当年申请建费米实验室，物理学家被要求说明这个实验室对国防有什么帮助。物理学家是这么回答的：跟国防没有直接关系，但是建成之后可以增加我们国家的荣耀，从而使这个国家更值得去防卫。
现在物理学家说我们要搞统一理论，很可能政府也不知道这东西到底有什么用，但是长远考虑没准有用呢。我的博士导师曾经有一次跟我说，能源部居然给搞超弦的人经费。我说是啊他们还挺有远见的。我老板说不是，我的意思是说我很惊讶搞超弦也能拿到经费！
我想正是因为发经费的人也不特别知道为什么要发这个经费，这一领域的研究完全是自己推动自己，自圆其说，很像数学，也好像一个教派一样。
http://blog.tianya.cn/blogger/post_show.asp?idWriter=0&Key=0&BlogID=588265&PostID=13692750--2008-5-8
前面谈论关于物理学家怎么搞科研的话题很有意思，现在另开一贴专门讨论。我先说几句我的认识，抛砖引玉。
同学认为一个搞科研的好方法是8年潜心，用不重要的课题去养活自己做一个重要的课题，然后一鸣惊人，这种事情我只听说证明费马大定理的时候发生过。对现代物理学来说，这个案例既不典型，更没有推广价值。
物理学科研的特点是所有结果都建立在同时期其他人的结果之上。对我干的这个具体小领域来说，不存在特别牛的天才，到一定程度之后大家能力实际上差不多。从牛人论文中获得灵感这种研究方法起到的作用不是很大。我现在看论文，最重要的是这些论文的结果是什么，而不是方法。因为方法就是那么几下子，没什么特别新的。限制结果的主要是知识积累效应导致的量变质变，然后是实验数据和计算机能力的发展，而不是有人突然变聪明了。（我念研究生的时候精读过一篇1963年的论文，那篇文章的确很好，收获很大。对我来说它最大的意义是让我学会了这一行的理论是怎么做出来的，哪些地方适合做大刀阔斧的假设。然而一旦入门之后，类似的文章意义就不是很大。）
要想干主流工作，必须随时了解领域的最新进展。大家对相关事实的理解一年也会有很大变化。不用说不看或者少看最新论文，我老板去年一次APS会议有事没去，都感到落后了，因为他不知道那几个人现在在干什么。我搞科研不是很勤奋，每天主要工作时间是做事，看论文的时间只能主要用于看比较新的相关论文，老论文再经典，我也仅限于知道它说什么，写文章的时候引用正确即可。而专业书籍的作用就更小，仅仅作为工具书。一本2000年出版的领域内专著，现在再看目前所有最有活力的课题在上面都找不到了。
一个物理学家的专业精神和职业本分，就是必须有新发现。很多人把物理当成一个艺术，一个文化，甚至是禅宗之类供人修身养性的东西。其实物理学这个行业本质上是一个business，而且竞争相当激烈。物理研究的技能，本质上是一个手艺，而不是什么神秘素质。（这一点跟数学行业可能不太一样）。
物理这个行业的工作机制是这样的：DOE/NSF/NASA等机构组织一帮老头子开会决定有什么问题是现在感兴趣的重要问题，出一个call for proposals，各个组则写proposal申请经费。然后政府把钱拨给各个研究组，这些组的科学家用这些经费搞研究，做出好的结果之后，用这些结果做资本再去申请新的经费。经费对于向哪个方向研究和让哪些人来研究都起决定性作用。从这个角度上说物理行业就好比拍电影，选题的时候要考虑市场最新流行趋向，拍摄的时候要考虑票房。
有人可能说现在主流的课题都不重要，我要自己做一个非主流但是更重要的课题，这行不行呢？我认为不可能。现在的物理学，没有足够经费支持，没有合作者，没有同行讨论，这样搞科研是不可能搞出来的。哪怕是做理论物理，不要实验设备，不要高级计算机，一张纸一支笔，单打独斗行不行呢？也不行，因为你至少需要开会的经费去跟同行讨论。
现代物理对合格的物理学家的要求至少有两个：
1. 必须知道相关领域其他组正在干什么。也就是说只看发表出来的文章是不行的，得别人还在做的时候你就知道他们在做这个。只有这样才有竞争力，要scoop别人，不要让别人给scoop了。
2. 必须让别人知道你在干什么。也就是说像小黄说的那样，他的文章别人都了解。我刚进这个领域一篇文章还都没发的时候，在会议上出过poster。结果居然收到一封匿名信：告诉你一个谣言，xx最近得到这个结果，而我们最近得到这么个结果，你正在做的这个事，能不能往这个方向看看，以便将来出了论文跟我们两家比较？这种竞争也是搞科研的一个乐趣。
我下半年开始要转去做的一个课题，上周刚谈完。老板的要求很明白，这是这个领域的最重要问题，我们组现在申请到钱要插进去有所作为。你来了必须take the leadership role，要影响整个community。几十万美元的项目让我做，如果我认为这个项目不够好我拿它糊口我自己私下再做别的秘密项目，我根本就不应该接手，这就是职业道德。如果说我认为现在我发不了好文章，我需要潜好几年好好学习学习新领域，我就应该立即离开物理行业，这就是专业素质。
如果让我对物理系大一新生讲话，我的开场白是这样的。欢迎加入物理行业。我们这个行业跟其他所有竞争性行业一样，我们既不比别的行业神秘也不比别的行业高级，尽管我们有很多英雄人物。
