宇宙學(xué)是一門科學(xué)

江曉原

想寫《宇宙史》的人真不少。比如前幾年有個法國人加爾法德（Christophe Galfard）就寫了一本《極簡宇宙史》（The Universe in Your Hand，2015），可惜那書只是一碗放了一點點宇宙學(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)表的書評中揶揄了它幾句。

現(xiàn)在這本《宇宙小史》（The Little Book of Cosmology，2020），萊曼·佩奇（Lyman Page）著，倒是一本不錯的宇宙學(xué)普及作品。此書中譯本最初也曾考慮過《極簡宇宙史》的書名（我收到的審讀本封面上就是這樣寫的），但因為和上面說的法國文學(xué)雞湯重名，采納我的建議改成了《宇宙小史》。

作為科普作品，此書在風(fēng)格上和意大利人羅韋利（Carlo Rovelli）的《七堂極簡物理課》（Sette brevi lezioni di fisica，2014）頗有異曲同工之處。也是嘗試在簡短的篇幅中，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，就能夠整體了解目前主流的“大爆炸宇宙模型”的基本知識，這一點還是很成功的。

本書正文只有五章，外加導(dǎo)言和四個附錄。

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

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)等問題。比前一章稍微抽象一點。

第三章專門討論宇宙的微波背景輻射，是本書中涉及相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)最多的一章，但也還是能夠讓沒學(xué)過物理學(xué)的讀者理解的。

第四章從整體上討論本書所采用的“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，本書屬于“老老實實做科普”的類型。在已經(jīng)高度精簡了的篇幅中，沒有廢話，而是高度濃縮了關(guān)于“大爆炸宇宙模型”的主要知識。

由于此書“史”的色彩并不濃厚，我這里先幫助補充一點。

人類認(rèn)識宇宙的歷史，其實就是一部觀測和建構(gòu)的歷史。

觀測容易理解，就是望遠(yuǎn)鏡越造越大，觀測到的對象越來越多、越來越遠(yuǎn)。

建構(gòu)則主要是構(gòu)造數(shù)理模型。自從愛因斯坦一九一五年提出廣義相對論之后，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解算引力場方程。迄今為止，先后出現(xiàn)過的宇宙模型，實際上已經(jīng)有很多種。

現(xiàn)代宇宙學(xué)中的第一個宇宙模型，是一九一七年愛因斯坦自己通過解算引力場方程而建立的，通常被稱為“愛因斯坦靜態(tài)宇宙模型”。由于那時河外星系（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)，所以愛因斯坦的這個宇宙模型是一個“有物質(zhì)，無運動”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）也通過解算愛因斯坦的引力場方程得出了一個宇宙模型。這個模型也是靜態(tài)的，但是允許宇宙中的物質(zhì)有運動，還提出了“德西特斥力”的概念，可以用來解釋后來發(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）通過解算引力場方程，也建立了一個宇宙模型。和前面的靜態(tài)模型不同，弗里德曼宇宙模型是動態(tài)的，而且是一個膨脹的宇宙模型，實際上這已經(jīng)是“大爆炸宇宙模型”的先聲。“大爆炸宇宙模型”中的奇點問題（膨脹始于物質(zhì)密度無窮大時）在弗里德曼的模型中已經(jīng)出現(xiàn)了，成為此后長期存在的難題。

一九二七年，比利時天文學(xué)家勒梅特（Georges Lemaitre）在弗里德曼宇宙模型基礎(chǔ)上提出了另一個稍有不同的宇宙模型。通常人們將這類模型中“宇宙常數(shù)”不為零的情形稱為“勒梅特模型”，而將“宇宙常數(shù)”為零的情形稱為“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測證據(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，由于任何宇宙模型都無法避免明顯的建構(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“等級式宇宙模型”，等等。不過這些模型在結(jié)構(gòu)的合理性、對已有觀測事實的解釋能力等方面，目前都遜于“大爆炸宇宙模型”，所以未能獲得主流地位。

不過，我感覺有必要在這里提醒讀者，通常各種宇宙學(xué)書籍中對“大爆炸宇宙模型”的描述，都不應(yīng)該被簡單視為客觀事實或“科學(xué)事實”。我們必須明確意識到：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)這門學(xué)科的特殊性質(zhì)，哲學(xué)上關(guān)于外部世界的真實性問題，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)說流傳甚廣，他認(rèn)為那些無法被證偽的學(xué)說無論是否正確都沒有資格被稱為科學(xué)理論（比如“明天可能下雨也可能不下”就是這樣的理論）。由于這個說法廣為人知，結(jié)果在公眾中形成了一個誤解：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。事實并非如此。

事實上，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，正端坐在崇高的位置上。換句話說，具有“可證偽性”并不總是進入科學(xué)殿堂的必要條件。宇宙學(xué)就是一門這樣的學(xué)問。

按照今天科學(xué)殿堂的入選規(guī)則，宇宙學(xué)當(dāng)然擁有毫無疑問的“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“三大驗證”所涉及的有限的觀測事實之外，關(guān)于宇宙模型的許多問題，都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到證實。

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

例如，常見的“大爆炸宇宙模型”所建構(gòu)的宇宙從誕生開始演化的“大事年表”（本書附錄C《宇宙年表》就是這種年表），其中開頭幾項，經(jīng)常以“宇宙的最初三分鐘”之類的名稱，在一些科普著作中被津津樂道。但是只要對照波普爾的“證偽”學(xué)說，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間機器，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“三大驗證”，本身是觀測事實，但對這些事實的解釋也存在著許多問題，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，這一點又如何證偽或證實呢？

類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)無法驗證的圖景。

但是，我仍然同意這樣的說法：宇宙學(xué)是一門科學(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

季諾是阿根廷國寶級漫畫大師，也是一百年來拉丁美洲最偉大的漫畫家。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)實不期而遇。瑪法達，是高度的幽默，這種幽默，深者見其深，淺者見其純，無論哪一個年紀(jì)的人，用一點點心思去看，都會禁不住地笑起來，這也許不是瘋狂的大笑，但是會心的，微妙的了解的共鳴，對有程度的讀者，是一定會產(chǎn)生的效果。