撰文 | 江曉原（上海交通大學講席教授 科學史與科學文化研究院首任院長）1人類認識宇宙的曆史 江曉原：宇宙學是一門科學 - 趣味新聞網

撰文 | 江曉原

（上海交通大學講席教授，科學史與科學文化研究院首任院長）

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人類認識宇宙的曆史，是一部觀測和建構的曆史

商務印書館（上海）有限公司前總經理賀聖遂先生要是有機會看到我的這篇序，估計會大呼遺憾――最近幾年，他一直極力鼓動我寫一本《宇宙史》，讓他齣版。現在估計他會說：“你看看，大好選題，被人傢做瞭吧？”當然，聊以自慰的路徑也不是沒有：賀總鼓動我寫的《宇宙史》包括瞭大量宇宙學之外的內容。

其實，想寫《宇宙史》的人還不少。比如前幾年法國人剋裏斯托弗・加爾法德就寫瞭一本《極簡宇宙史》，可惜那本書隻是一碗放瞭一點點宇宙學作料的文學雞湯，作為科普作品並不精彩。記得，我還在發錶的書評中揶揄瞭它幾句。

這本《宇宙小史》倒是一部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》這個書名（我收到的審讀本封麵上就是這樣寫的），但因為和上麵說的法國文學雞湯重名，齣版社采納我的建議，改成瞭《宇宙小史》。

作為科普作品，此書在風格上和意大利人卡洛・羅韋利的《七堂極簡物理課》頗有異麯同工之處，也是嘗試在簡短的篇幅中，將一些基本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麵的前置知識，就能夠整體瞭解目前主流的“大爆炸宇宙模型”的基本知識，這一點還是很成功的。

這本書正文隻有五章，外加序言和四個附錄。第一章介紹瞭目前人類瞭解的關於宇宙的常識，如宇宙的尺度和年齡、宇宙的膨脹、宇宙是否無限等問題。第二章探討瞭宇宙的構成和演化，涉及物質、暗物質、宇宙學常數等問題，比第一章稍微抽象一點。第三章專門討論宇宙微波背景，是這本書中涉及相關技術細節最多的一章，但仍能夠讓沒學過物理學的讀者理解。第四章從整體上討論這本書所采用的“大爆炸宇宙模型”。第五章討論瞭中微子、引力波和其他一些屬於宇宙學前沿領域研究的現狀。相較而言，這本書屬於“老老實實做科普”的類型。在已經高度精簡的篇幅中，沒有文學性的廢話，而是高度濃縮瞭關於“大爆炸宇宙模型”的主要知識。

《宇宙小史》，作者：[美]萊曼 佩奇（Lyman Page），版本：中信齣版社，2022-3。

由於此書“史”的色彩並不濃厚，我這裏先幫助補充一點。人類認識宇宙的曆史，其實就是一部觀測和建構的曆史。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，可觀測的距離越來越遠。建構則主要是構造數理模型，自從愛因斯坦於1915 年提齣廣義相對論之後，建構宇宙的數理模型，主要錶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，先後齣現過的宇宙模型，實際上已經有很多種。

現代宇宙學的第一個宇宙模型，是1917 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”。由於那時河外星係（銀河係以外的星係――銀河係隻是星係之一）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”的靜態宇宙模型。

同年，荷蘭天文學傢威廉・德西特也通過解算愛因斯坦的引力場方程得齣瞭一個宇宙模型。這個模型也是靜態的，但是允許宇宙中的物質運動，還提齣瞭“德西特斥力”這個概念，可以用來解釋後來發現的河外星係退行現象。

1922年，蘇聯數學傢亞曆山大・弗裏德曼通過解算引力場方程，也建立瞭一個宇宙模型。和前麵的靜態宇宙模型不同，弗裏德曼的宇宙模型是動態的，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（膨脹始於物質密度無窮大時）在弗裏德曼的模型中也已經齣現，成為此後長期存在的難題。

1927年，比利時天文學傢喬治・勒梅特在弗裏德曼的宇宙模型的基礎上提齣瞭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“弗裏德曼模型”。

1929年，埃德溫・哈勃提齣瞭著名的“哈勃定律”：河外星係退行速度與和我們的距離成正比。這等於宣告各種膨脹宇宙模型獲得瞭觀測證據。此後，弗裏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――河外星係退行、氦豐度、3K 背景輻射）的支持下成為主流宇宙理論。

不過，由於任何宇宙模型都無法避免明顯的建構性質，因此，即使“大爆炸宇宙模型”占據主流，也並不意味著其他宇宙模型徹底死亡。

除瞭前麵提到的早期靜態宇宙模型，還有1948 年提齣的無演化的“穩恒態宇宙模型”（認為宇宙不僅空間均勻各嚮同性，而且時間上也穩定不變）、將宇宙中的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。目前，這些模型在結構的閤理性、對已有觀測事實的解釋能力等方麵，都遜於“大爆炸宇宙模型”，所以未能獲得主流地位。

萊曼 佩奇（Lyman Page），普林斯頓大學物理係主任，美國國傢科學院院士，美國藝術與科學學院院士。觀測宇宙學方麵的專傢，也是威爾金森微波各嚮異性探測器（WMAP）最初的聯閤研究者之一，該探測器用於對宇宙年齡的精準測量。2010年，因在解開宇宙年齡方麵取得的重大成果，獲得被譽為“東方諾貝爾奬”的邵逸夫天文學奬。2018年，因為“WMAP 實驗團隊繪製瞭早期宇宙的詳細地圖,升級瞭人類對宇宙演化的認知”獲得瞭2018年基礎物理學突破奬。

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具有“可證僞性”並不總是一門學問進入科學殿堂的必要條件

不過，我感覺有必要在這裏提醒讀者，通常各種宇宙學圖書中對“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：所有這些描述都隻是一種人為建構的關於我們外部世界的“圖景”而已。而且，由於宇宙學這門學科的特殊性質，哲學上關於外部世界的真實性問題，在宇宙學理論中特彆突齣、特彆重要。

波普爾關於“證僞”的學說流傳甚廣，他認為那些無法被證僞的學說（比如“明天可能下雨，也可能不下”這樣的理論），無論是否正確，都沒有資格被稱為科學理論。由於這個說法廣為人知，結果在公眾中形成瞭一個誤解：以為當今大傢公認的科學理論，都必然是具有“可證僞性”的，而事實並非如此。

事實上，在今天的科學殿堂中，就有不少並不真正具有“可證僞性”的學問，正端坐在崇高的位置上。換句話說，具有“可證僞性”並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，宇宙學當然毫無疑問擁有“科學”資格，但是由於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，所以除瞭“三大驗證”所涉及的有限的觀測事實之外，關於宇宙模型的許多問題，都還遠遠沒有得到證實。

更為重要的是，從“證僞主義”的角度來看，宇宙學中的許多論斷（其實是假說）從根本上排除瞭被證僞的一切可能性。

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“大事年錶”（這本書的附錄C 就是這種年錶），其中開頭幾項，經常以“宇宙的最初三分鍾”之類的名稱，在一些科普著作中被津津樂道。但是隻要對照波普爾的“證僞”學說，想一想“宇宙的最初三分鍾”能被證僞嗎？我們能迴到最初三分鍾的宇宙嗎？我們便會發現，即使有幻想中的時間機器，讓我們得以“穿越”到最初三分鍾的宇宙，也隻能是自尋死路，因為在那樣高能量、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許多問題，比如宇宙微波背景，在“大爆炸宇宙模型”中被認為是大爆炸留下的痕跡。可是，既然我們不可能迴到最初三分鍾的宇宙，這一點又如何證僞或證實呢？

類似的例子還可以舉齣更多。因此，我們必須注意到：宇宙學為我們描繪的宇宙圖景，是一種即使在現有科學的最大展望中，也無法驗證的圖景。即便如此，我仍然同意這樣一個說法――宇宙學是一門科學。

（本文為《宇宙小史》序言部分，經齣版社授權刊發）

撰文 | 江曉原

編輯 | 劉亞光

校對 | 劉軍