宇宙學(xué)是一門(mén)科學(xué)

江曉原

想寫(xiě)《宇宙史》的人真不少。比如前幾年有個(gè)法國(guó)人加爾法德（Christophe Galfard）就寫(xiě)了一本《極簡(jiǎn)宇宙史》（The Universe in Your Hand，2015），可惜那書(shū)只是一碗放了一點(diǎn)點(diǎn)宇宙學(xué)佐料的文學(xué)雞湯，作為科普作品并不精彩，記得我還在發(fā)表的書(shū)評(píng)中揶揄了它幾句。

現(xiàn)在這本《宇宙小史》（The Little Book of Cosmology，2020），萊曼·佩奇（Lyman Page）著，倒是一本不錯(cuò)的宇宙學(xué)普及作品。此書(shū)中譯本最初也曾考慮過(guò)《極簡(jiǎn)宇宙史》的書(shū)名（我收到的審讀本封面上就是這樣寫(xiě)的），但因?yàn)楹蜕厦嬲f(shuō)的法國(guó)文學(xué)雞湯重名，采納我的建議改成了《宇宙小史》。

作為科普作品，此書(shū)在風(fēng)格上和意大利人羅韋利（Carlo Rovelli）的《七堂極簡(jiǎn)物理課》（Sette brevi lezioni di fisica，2014）頗有異曲同工之處。也是嘗試在簡(jiǎn)短的篇幅中，將一些基本的原理和發(fā)現(xiàn)介紹給讀者。

《宇宙小史》盡力讓讀者不需要天文學(xué)和物理學(xué)方面的前置知識(shí)，就能夠整體了解目前主流的“大爆炸宇宙模型”的基本知識(shí)，這一點(diǎn)還是很成功的。

本書(shū)正文只有五章，外加導(dǎo)言和四個(gè)附錄。

第一章是目前人類(lèi)獲得的關(guān)于宇宙的常識(shí)，諸如宇宙的尺度和年齡、宇宙的膨脹、宇宙是否無(wú)限等問(wèn)題。

第二章探討宇宙的構(gòu)成和演化，里面涉及物質(zhì)、暗物質(zhì)、宇宙學(xué)常數(shù)等問(wèn)題。比前一章稍微抽象一點(diǎn)。

第三章專(zhuān)門(mén)討論宇宙的微波背景輻射，是本書(shū)中涉及相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)最多的一章，但也還是能夠讓沒(méi)學(xué)過(guò)物理學(xué)的讀者理解的。

第四章從整體上討論本書(shū)所采用的“大爆炸宇宙模型”。

第五章名為“宇宙學(xué)的前沿領(lǐng)域”，討論了中微子、引力波和其他一些屬于宇宙學(xué)前沿的研究狀況。

相比較而言，本書(shū)屬于“老老實(shí)實(shí)做科普”的類(lèi)型。在已經(jīng)高度精簡(jiǎn)了的篇幅中，沒(méi)有廢話(huà)，而是高度濃縮了關(guān)于“大爆炸宇宙模型”的主要知識(shí)。

由于此書(shū)“史”的色彩并不濃厚，我這里先幫助補(bǔ)充一點(diǎn)。

人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的歷史，其實(shí)就是一部觀(guān)測(cè)和建構(gòu)的歷史。

觀(guān)測(cè)容易理解，就是望遠(yuǎn)鏡越造越大，觀(guān)測(cè)到的對(duì)象越來(lái)越多、越來(lái)越遠(yuǎn)。

建構(gòu)則主要是構(gòu)造數(shù)理模型。自從愛(ài)因斯坦一九一五年提出廣義相對(duì)論之后，建構(gòu)宇宙的數(shù)理模型，主要表現(xiàn)為用各種各樣的條件和假定來(lái)解算引力場(chǎng)方程。迄今為止，先后出現(xiàn)過(guò)的宇宙模型，實(shí)際上已經(jīng)有很多種。

現(xiàn)代宇宙學(xué)中的第一個(gè)宇宙模型，是一九一七年愛(ài)因斯坦自己通過(guò)解算引力場(chǎng)方程而建立的，通常被稱(chēng)為“愛(ài)因斯坦靜態(tài)宇宙模型”。由于那時(shí)河外星系（銀河系外的星系—銀河系只是星系之一）的退行尚未被發(fā)現(xiàn)，所以愛(ài)因斯坦的這個(gè)宇宙模型是一個(gè)“有物質(zhì)，無(wú)運(yùn)動(dòng)”的靜態(tài)宇宙。

萊曼·佩奇（Lyman Page）

同年，荷蘭天文學(xué)家德西特（de Sitter）也通過(guò)解算愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程得出了一個(gè)宇宙模型。這個(gè)模型也是靜態(tài)的，但是允許宇宙中的物質(zhì)有運(yùn)動(dòng)，還提出了“德西特斥力”的概念，可以用來(lái)解釋后來(lái)發(fā)現(xiàn)的河外星系退行現(xiàn)象。

一九二二年，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼（Friedmann）通過(guò)解算引力場(chǎng)方程，也建立了一個(gè)宇宙模型。和前面的靜態(tài)模型不同，弗里德曼宇宙模型是動(dòng)態(tài)的，而且是一個(gè)膨脹的宇宙模型，實(shí)際上這已經(jīng)是“大爆炸宇宙模型”的先聲。“大爆炸宇宙模型”中的奇點(diǎn)問(wèn)題（膨脹始于物質(zhì)密度無(wú)窮大時(shí)）在弗里德曼的模型中已經(jīng)出現(xiàn)了，成為此后長(zhǎng)期存在的難題。

一九二七年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特（Georges Lemaitre）在弗里德曼宇宙模型基礎(chǔ)上提出了另一個(gè)稍有不同的宇宙模型。通常人們將這類(lèi)模型中“宇宙常數(shù)”不為零的情形稱(chēng)為“勒梅特模型”，而將“宇宙常數(shù)”為零的情形稱(chēng)為“弗里德曼模型”。

一九二九年，哈勃（Edwin P. Hubble）發(fā)現(xiàn)了著名的“哈勃定律”：河外星系退行速度與和我們的距離成正比。這等于宣告各種膨脹宇宙模型獲得了觀(guān)測(cè)證據(jù)，此后弗里德曼一派的宇宙模型逐漸占據(jù)上風(fēng)，直至“大爆炸宇宙模型”在“三大驗(yàn)證”（哈勃紅移—就是河外星系退行、氦豐度、3K微波背景輻射）的支持下成為最主流的宇宙理論。

不過(guò)，由于任何宇宙模型都無(wú)法避免明顯的建構(gòu)性質(zhì)，即使“大爆炸宇宙模型”占據(jù)了主流，也并不意味著其他宇宙模型的徹底死亡。

除了前面提到的早期靜態(tài)宇宙模型，還有一九四八年提出的無(wú)演化的“穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型”（認(rèn)為宇宙不僅空間均勻各向同性，而且時(shí)間上也穩(wěn)定不變）、將宇宙中物質(zhì)看成壓力為零的介質(zhì)的“塵埃宇宙模型”，甚至還可以包括缺乏精確數(shù)學(xué)描述和理論預(yù)言的“等級(jí)式宇宙模型”，等等。不過(guò)這些模型在結(jié)構(gòu)的合理性、對(duì)已有觀(guān)測(cè)事實(shí)的解釋能力等方面，目前都遜于“大爆炸宇宙模型”，所以未能獲得主流地位。

不過(guò)，我感覺(jué)有必要在這里提醒讀者，通常各種宇宙學(xué)書(shū)籍中對(duì)“大爆炸宇宙模型”的描述，都不應(yīng)該被簡(jiǎn)單視為客觀(guān)事實(shí)或“科學(xué)事實(shí)”。我們必須明確意識(shí)到：所有這些描述都只是一種人為建構(gòu)的關(guān)于我們外部世界的“圖景”而已。

而且，由于宇宙學(xué)這門(mén)學(xué)科的特殊性質(zhì)，哲學(xué)上關(guān)于外部世界的真實(shí)性問(wèn)題，在宇宙學(xué)理論中特別突出、特別嚴(yán)重。

波普爾關(guān)于“證偽”的學(xué)說(shuō)流傳甚廣，他認(rèn)為那些無(wú)法被證偽的學(xué)說(shuō)無(wú)論是否正確都沒(méi)有資格被稱(chēng)為科學(xué)理論（比如“明天可能下雨也可能不下”就是這樣的理論）。由于這個(gè)說(shuō)法廣為人知，結(jié)果在公眾中形成了一個(gè)誤解：以為當(dāng)今大家公認(rèn)的科學(xué)理論，都必然是具有“可證偽性”的。事實(shí)并非如此。

事實(shí)上，在今天的科學(xué)殿堂中，就有不少并不真正具有“可證偽性”的學(xué)問(wèn)，正端坐在崇高的位置上。換句話(huà)說(shuō)，具有“可證偽性”并不總是進(jìn)入科學(xué)殿堂的必要條件。宇宙學(xué)就是一門(mén)這樣的學(xué)問(wèn)。

按照今天科學(xué)殿堂的入選規(guī)則，宇宙學(xué)當(dāng)然擁有毫無(wú)疑問(wèn)的“科學(xué)”資格;但是，由于迄今為止的一切宇宙模型，都具有明顯的建構(gòu)性質(zhì)—“大爆炸宇宙模型”也不例外，所以除了“三大驗(yàn)證”所涉及的有限的觀(guān)測(cè)事實(shí)之外，關(guān)于宇宙模型的許多問(wèn)題，都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有得到證實(shí)。

更為嚴(yán)重的是，從“證偽主義”的角度來(lái)看，宇宙學(xué)中的許多論斷（其實(shí)是假說(shuō)）從根本上排除了被證偽的一切可能性。

例如，常見(jiàn)的“大爆炸宇宙模型”所建構(gòu)的宇宙從誕生開(kāi)始演化的“大事年表”（本書(shū)附錄C《宇宙年表》就是這種年表），其中開(kāi)頭幾項(xiàng)，經(jīng)常以“宇宙的最初三分鐘”之類(lèi)的名稱(chēng)，在一些科普著作中被津津樂(lè)道。但是只要對(duì)照波普爾的“證偽”學(xué)說(shuō)，想一想“宇宙的最初三分鐘”能被證偽嗎？我們能回到最初三分鐘的宇宙中去嗎？即使有了幻想中的時(shí)間機(jī)器，讓我們得以“穿越”到最初三分鐘的宇宙中去，也只能是自尋死路—在那樣高能量、高密度的環(huán)境中不可能有任何生物生存。

又如，即使是“三大驗(yàn)證”，本身是觀(guān)測(cè)事實(shí)，但對(duì)這些事實(shí)的解釋也存在著許多問(wèn)題，比如3K微波背景輻射，在“大爆炸宇宙模型”中被認(rèn)為是大爆炸所留下的痕跡，但是既然我們不可能回到最初三分鐘的宇宙中去，這一點(diǎn)又如何證偽或證實(shí)呢？

類(lèi)似的例子還可以舉出很多。

所以我們必須注意到：宇宙學(xué)為我們所描繪的宇宙圖景，是一種即使在現(xiàn)有科學(xué)的最大展望中，仍然永遠(yuǎn)無(wú)法驗(yàn)證的圖景。

但是，我仍然同意這樣的說(shuō)法：宇宙學(xué)是一門(mén)科學(xué)。

二0二二年一月十日

于上海交通大學(xué)科學(xué)史與科學(xué)文化研究院

《瑪法達(dá)的世界：娃娃看天下》

[阿根廷] 季諾著? 三毛譯? 人民文學(xué)出版社2022年版

季諾是阿根廷國(guó)寶級(jí)漫畫(huà)大師，也是一百年來(lái)拉丁美洲最偉大的漫畫(huà)家。他借娃娃們的口，道盡了人世間不盡的面相，讓人在捧腹大笑中和現(xiàn)實(shí)不期而遇?，敺ㄟ_(dá)，是高度的幽默，這種幽默，深者見(jiàn)其深，淺者見(jiàn)其純，無(wú)論哪一個(gè)年紀(jì)的人，用一點(diǎn)點(diǎn)心思去看，都會(huì)禁不住地笑起來(lái)，這也許不是瘋狂的大笑，但是會(huì)心的，微妙的了解的共鳴，對(duì)有程度的讀者，是一定會(huì)產(chǎn)生的效果。