宇宙學是一門科學

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佐料的文學雞湯，作為科普作品并不精彩，記得我還在發表的書評中揶揄了它幾句。

現在這本《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現介紹給讀者。

《宇宙小史》盡力讓讀者不需要天文學和物理學方面的前置知識，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，外加導言和四個附錄。

第一章是目前人類獲得的關于宇宙的常識，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成和演化，里面涉及物質、暗物質、宇宙學常數等問題。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，是本書中涉及相關技術細節最多的一章，但也還是能夠讓沒學過物理學的讀者理解的。

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“宇宙學的前沿領域”，討論了中微子、引力波和其他一些屬于宇宙學前沿的研究狀況。

相比較而言，本書屬于“老老實實做科普”的類型。在已經高度精簡了的篇幅中，沒有廢話，而是高度濃縮了關于“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。

人類認識宇宙的歷史，其實就是一部觀測和建構的歷史。

觀測容易理解，就是望遠鏡越造越大，觀測到的對象越來越多、越來越遠。

建構則主要是構造數理模型。自從愛因斯坦一九一五年提出廣義相對論之后，建構宇宙的數理模型，主要表現為用各種各樣的條件和假定來解算引力場方程。迄今為止，先后出現過的宇宙模型，實際上已經有很多種。

現代宇宙學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）的退行尚未被發現，所以愛因斯坦的這個宇宙模型是一個“有物質，無運動”的靜態宇宙。

萊曼·佩奇（Lyman Page）

同年，荷蘭天文學家德西特（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。這個模型也是靜態的，但是允許宇宙中的物質有運動，還提出了“德西特斥力”的概念，可以用來解釋后來發現的河外星系退行現象。

一九二二年，蘇聯數學家弗里德曼（Friedmann）通過解算引力場方程，也建立了一個宇宙模型。和前面的靜態模型不同，弗里德曼宇宙模型是動態的，而且是一個膨脹的宇宙模型，實際上這已經是“大爆炸宇宙模型”的先聲。“大爆炸宇宙模型”中的奇點問題（膨脹始于物質密度無窮大時）在弗里德曼的模型中已經出現了，成為此后長期存在的難題。

一九二七年，比利時天文學家勒梅特（Georges Lemaitre）在弗里德曼宇宙模型基礎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”不為零的情形稱為“勒梅特模型”，而將“宇宙常數”為零的情形稱為“弗里德曼模型”。

一九二九年，哈勃（Edwin P. Hubble）發現了著名的“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，此后弗里德曼一派的宇宙模型逐漸占據上風，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性質，即使“大爆炸宇宙模型”占據了主流，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宇宙模型，還有一九四八年提出的無演化的“穩恒態宇宙模型”（認為宇宙不僅空間均勻各向同性，而且時間上也穩定不變）、將宇宙中物質看成壓力為零的介質的“塵埃宇宙模型”，甚至還可以包括缺乏精確數學描述和理論預言的“等級式宇宙模型”，等等。不過這些模型在結構的合理性、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，通常各種宇宙學書籍中對“大爆炸宇宙模型”的描述，都不應該被簡單視為客觀事實或“科學事實”。我們必須明確意識到：所有這些描述都只是一種人為建構的關于我們外部世界的“圖景”而已。

而且，由于宇宙學這門學科的特殊性質，哲學上關于外部世界的真實性問題，在宇宙學理論中特別突出、特別嚴重。

波普爾關于“證偽”的學說流傳甚廣，他認為那些無法被證偽的學說無論是否正確都沒有資格被稱為科學理論（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，結果在公眾中形成了一個誤解：以為當今大家公認的科學理論，都必然是具有“可證偽性”的。事實并非如此。

事實上，在今天的科學殿堂中，就有不少并不真正具有“可證偽性”的學問，正端坐在崇高的位置上。換句話說，具有“可證偽性”并不總是進入科學殿堂的必要條件。宇宙學就是一門這樣的學問。

按照今天科學殿堂的入選規則，宇宙學當然擁有毫無疑問的“科學”資格;但是，由于迄今為止的一切宇宙模型，都具有明顯的建構性質—“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，關于宇宙模型的許多問題，都還遠遠沒有得到證實。

更為嚴重的是，從“證偽主義”的角度來看，宇宙學中的許多論斷（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：宇宙學為我們所描繪的宇宙圖景，是一種即使在現有科學的最大展望中，仍然永遠無法驗證的圖景。

但是，我仍然同意這樣的說法：宇宙學是一門科學。

二0二二年一月十日

于上海交通大學科學史與科學文化研究院

《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，是一定會產生的效果。