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江晓原:宇宙学是一门科学

文章来源:admin    时间:2022-04-13

  html模版江晓原:宇宙学是一门科学

宇宙学主流的理论模型存在一些难以检验的假说,比如要检验“大爆炸宇宙模型”,就需要回到“宇宙的最初三分钟”,这明显是办不到的。科学史学者江晓原认为,即便存在无法被证实或证伪的假说,宇宙学仍然是一门科学。

撰文 | 江晓原

(上海交通大学讲席教授,科学史与科学文化研究院首任院长)

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人类认识宇宙的历史,是一部观测和建构的历史

商务印书馆(上海)有限公司前总经理贺圣遂先生要是有机会看到我的这篇序,估计会大呼遗憾??最近几年,他一直极力鼓动我写一本《宇宙史》,让他出版。现在估计他会说:“你看看,大好选题,被人家做了吧?”当然,聊以自慰的路径也不是没有:贺总鼓动我写的《宇宙史》包括了大量宇宙学之外的内容。

其实,想写《宇宙史》的人还不少。比如前几年法国人克里斯托弗?加尔法德就写了一本《极简宇宙史》,可惜那本书只是一碗放了一点点宇宙学作料的文学鸡汤,作为科普作品并不精彩。记得,我还在发表的书评中揶揄了它几句,尊龙d88首选AG发财网

这本《宇宙小史》倒是一部不错的宇宙学普及作品。此书中译本最初也曾考虑过《极简宇宙史》这个书名(我收到的审读本封面上就是这样写的),但因为和上面说的法国文学鸡汤重名,出版社采纳我的建议,改成了《宇宙小史》。

作为科普作品,此书在风格上和意大利人卡洛?罗韦利的《七堂极简物理课》颇有异曲同工之处,也是尝试在简短的篇幅中,将一些基本原理和发现介绍给读者。《宇宙小史》尽力让读者不需要天文学和物理学方面的前置知识,就能够整体了解目前主流的“大爆炸宇宙模型”的基本知识,这一点还是很成功的。

这本书正文只有五章,外加序言和四个附录。第一章介绍了目前人类了解的关于宇宙的常识,如宇宙的尺度和年龄、宇宙的膨胀、宇宙是否无限等问题。第二章探讨了宇宙的构成和演化,涉及物质、暗物质、宇宙学常数等问题,比第一章稍微抽象一点。第三章专门讨论宇宙微波背景,是这本书中涉及相关技术细节最多的一章,但仍能够让没学过物理学的读者理解。第四章从整体上讨论这本书所采用的“大爆炸宇宙模型”。第五章讨论了中微子、引力波和其他一些属于宇宙学前沿领域研究的现状。相较而言,这本书属于“老老实实做科普”的类型。在已经高度精简的篇幅中,没有文学性的废话,而是高度浓缩了关于“大爆炸宇宙模型”的主要知识。

展开全文

《宇宙小史》,作者:[美]莱曼?佩奇(Lyman Page),版本:中信出版社,2022-3。

由于此书“史”的色彩并不浓厚,我这里先帮助补充一点。人类认识宇宙的历史,其实就是一部观测和建构的历史。观测容易理解,就是望远镜越造越大,观测到的对象越来越多,可观测的距离越来越远。建构则主要是构造数理模型,自从爱因斯坦于1915 年提出广义相对论之后,建构宇宙的数理模型,主要表现为用各种各样的条件和假定来解算引力场方程。迄今为止,先后出现过的宇宙模型,实际上已经有很多种。

现代宇宙学的第一个宇宙模型,是1917 年爱因斯坦自己通过解算引力场方程而建立的,通常被称为“爱因斯坦静态宇宙模型”。由于那时河外星系(银河系以外的星系??银河系只是星系之一)的退行尚未被发现,所以爱因斯坦的这个宇宙模型是一个“有物质,无运动”的静态宇宙模型。

同年,荷兰天文学家威廉?德西特也通过解算爱因斯坦的引力场方程得出了一个宇宙模型。这个模型也是静态的,但是允许宇宙中的物质运动,还提出了“德西特斥力”这个概念,可以用来解释后来发现的河外星系退行现象。

1922年,苏联数学家亚历山大?弗里德曼通过解算引力场方程,也建立了一个宇宙模型。和前面的静态宇宙模型不同,弗里德曼的宇宙模型是动态的,而且是一个膨胀的宇宙模型,实际上这已经是“大爆炸宇宙模型”的先声。“大爆炸宇宙模型”中的奇点问题(膨胀始于物质密度无穷大时)在弗里德曼的模型中也已经出现,成为此后长期存在的难题。

1927年,比利时天文学家乔治?勒梅特在弗里德曼的宇宙模型的基础上提出了另一个稍有不同的宇宙模型。通常人们将这类模型中“宇宙常数”不为零的情形称为“勒梅特模型”,而将“宇宙常数”为零的情形称为“弗里德曼模型”。

1929年,埃德温?哈勃提出了著名的“哈勃定律”:河外星系退行速度与和我们的距离成正比。这等于宣告各种膨胀宇宙模型获得了观测证据。此后,弗里德曼一派的宇宙模型逐渐占据上风,直至“大爆炸宇宙模型”在“三大验证”(哈勃红移??河外星系退行、氦丰度、3K 背景辐射)的支持下成为主流宇宙理论。

不过,由于任何宇宙模型都无法避免明显的建构性质,因此,即使“大爆炸宇宙模型”占据主流,也并不意味着其他宇宙模型彻底死亡。

除了前面提到的早期静态宇宙模型,还有1948 年提出的无演化的“稳恒态宇宙模型”(认为宇宙不仅空间均匀各向同性,而且时间上也稳定不变)、将宇宙中的物质看成压力为零的介质的“尘埃宇宙模型”,甚至还可以包括缺乏精确数学描述和理论预言的“等级式宇宙模型”等。目前,这些模型在结构的合理性、对已有观测事实的解释能力等方面,都逊于“大爆炸宇宙模型”,所以未能获得主流地位。

莱曼?佩奇(Lyman Page),普林斯顿大学物理系主任,美国国家科学院院士,美国艺术与科学学院院士。观测宇宙学方面的专家,也是威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)最初的联合研究者之一,该探测器用于对宇宙年龄的精准测量。2010年,因在解开宇宙年龄方面取得的重大成果,获得被誉为“东方诺贝尔奖”的邵逸夫天文学奖。2018年,因为“WMAP 实验团队绘制了早期宇宙的详细地图,升级了人类对宇宙演化的认知”获得了2018年基础物理学突破奖。

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具有“可证伪性”并不总是一门学问进入科学殿堂的必要条件

不过,我感觉有必要在这里提醒读者,通常各种宇宙学图书中对“大爆炸宇宙模型”的描述,都不应该被简单视为客观事实或“科学事实”。我们必须明确意识到:所有这些描述都只是一种人为建构的关于我们外部世界的“图景”而已。而且,由于宇宙学这门学科的特殊性质,哲学上关于外部世界的真实性问题,在宇宙学理论中特别突出、特别重要。

波普尔关于“证伪”的学说流传甚广,他认为那些无法被证伪的学说(比如“明天可能下雨,也可能不下”这样的理论),无论是否正确,都没有资格被称为科学理论。由于这个说法广为人知,结果在公众中形成了一个误解:以为当今大家公认的科学理论,都必然是具有“可证伪性”的,而事实并非如此。

事实上,在今天的科学殿堂中,就有不少并不真正具有“可证伪性”的学问,正端坐在崇高的位置上。换句话说,具有“可证伪性”并不总是进入科学殿堂的必要条件。宇宙学就是一门这样的学问。

按照今天科学殿堂的入选规则,宇宙学当然毫无疑问拥有“科学”资格,但是由于迄今为止的一切宇宙模型,都具有明显的建构性质,“大爆炸宇宙模型”也不例外,所以除了“三大验证”所涉及的有限的观测事实之外,关于宇宙模型的许多问题,都还远远没有得到证实。

更为重要的是,从“证伪主义”的角度来看,宇宙学中的许多论断(其实是假说)从根本上排除了被证伪的一切可能性。

例如,常见的“大爆炸宇宙模型”所建构的宇宙从诞生开始演化的“大事年表”(这本书的附录C 就是这种年表),其中开头几项,经常以“宇宙的最初三分钟”之类的名称,在一些科普著作中被津津乐道。但是只要对照波普尔的“证伪”学说,想一想“宇宙的最初三分钟”能被证伪吗?我们能回到最初三分钟的宇宙吗?我们便会发现,即使有幻想中的时间机器,让我们得以“穿越”到最初三分钟的宇宙,也只能是自寻死路,因为在那样高能量、高密度的环境中不可能有任何生物生存。

又如,即使是“三大验证”,本身是观测事实,但对这些事实的解释也存在许多问题,比如宇宙微波背景,在“大爆炸宇宙模型”中被认为是大爆炸留下的痕迹。可是,既然我们不可能回到最初三分钟的宇宙,这一点又如何证伪或证实呢?

类似的例子还可以举出更多。因此,我们必须注意到:宇宙学为我们描绘的宇宙图景,是一种即使在现有科学的最大展望中,也无法验证的图景。即便如此,我仍然同意这样一个说法??宇宙学是一门科学。

(本文为《宇宙小史》序言部分,经出版社授权刊发)

撰文 | 江晓原

校对 | 刘军

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