宇宙学是怎样成为科学的

nanshi00

载2024年3月20日《第一财经日报》

科学外史II（27）

宇宙学是怎样成为科学的

江晓原

卡尔·波普尔的“证伪”学说广为人知，即“一个无法证伪（或证实）的理论没有资格成为科学”，但许多人相信此说之后，往往逆向推理，想当然地以为所有被我们视为科学的理论，都已达到了科学共同体惯常宣示的检验标准，而事实并非如此。
宇宙学离得开思辨吗？商务印书馆学术顾问贺圣遂先生，近年一直极力鼓动我写一本《宇宙史》让他出版。他鼓动我写的《宇宙史》中包括了大量宇宙学之外的内容，我因准备不足，至今未能动笔。其实想写《宇宙史》的人还不少。比如前几年有个法国人加尔法德（C. Galfard）就写了一本《极简宇宙史》，可惜那书只是一碗放了一点点宇宙学佐料的文学鸡汤，还被我在书评中揶揄了几句。

要写一本关于宇宙学的通俗作品，还要让读者在没有天文学和物理学前置知识的情况下就能够大体了解目前的宇宙学基本概念，肯定是极为困难的。霍金在他极负盛名的《时间简史》中也谈了不少宇宙学，有几个人真能读懂？之所以会如此，是因为宇宙学这门学问实在太特殊了。早期古代文明都有各自的宇宙，不过这类宇宙，在现代科学的立场上来看，只能算“思辨”的宇宙——意思是它们并未建立在实际观测或实验验证的基础上。到了古希腊托勒密天文学中的宇宙，则是一个以地球为中心的球形宇宙。倒是有了大量实际观测依据。哥白尼的日心宇宙，反而比托勒密的宇宙更加“思辨”——因为它直接违背我们天天看到的太阳东升西落的实际观测结果。根据这样的观测结果，地心宇宙本来是非常自然的。随着光学望远镜越造越大，现代意义上的宇宙学逐渐开启。19世纪下半叶光谱分析技术意外地被应用到天文观测中，又使天文学家如虎添翼，他们可以观测到太阳系、银河系、河外星系，甚至还能知道恒星的元素构成和内部状态……于是他们开始想象建立不再涉嫌“思辨”的宇宙学——可惜事实上直到今天也仍然未能做到这一点。爱因斯坦引力场方程中的宇宙宇宙学发展的历史，其实就是一部观测和建构的历史。观测容易理解，就是光学望远镜越造越大，后来又有了射电望远镜，观测到的对象越来越多，越来越远。建构和思辨其实并无本质不同，现代的宇宙学思辨主要表现为建构数理模型。自从爱因斯坦1915年提出广义相对论之后，建构宇宙数理模型主要表现为用各种条件和假定来求解引力场方程。一种解对应一种宇宙模型，迄今为止已经先后出现过多种宇宙模型。现代宇宙学中的第一个宇宙模型，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。同年，荷兰天文学家德西特（de Sitter）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有运动，还提出了“德西特斥力”的概念，试图用来解释后来发现的河外星系退行现象。1922年，苏联数学家弗里德曼（Friedmann）通过解算引力场方程，也建立了一个宇宙模型。和前面的静态模型不同，弗里德曼宇宙模型是动态的，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了，成为此后长期存在的难题。1927年，比利时天文学家勒梅特（G.Lemaitre）在弗里德曼宇宙模型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，哈勃（E. P.Hubble）发现了著名的“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——就是河外星系退行、氦丰度、3K微波背景辐射）的支持下成为最主流的宇宙理论。不过，由于任何宇宙模型都无法避免明显的建构性质，即使“大爆炸宇宙模型”占据了主流，也并不意味着其他宇宙模型的彻底死亡。除了上面这些宇宙模型，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”等等。不过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，目前都逊于“大爆炸宇宙模型”，所以都无法获得主流地位。宇宙学的建构性质不过，通过求解爱因斯坦场方程形成的宇宙模型，仍然无法和“思辨”绝缘，只是思辨有了更为复杂的数理形式而已。现在流行的宇宙学书籍中，对各种宇宙模型（包括“大爆炸宇宙模型”）的描述，都还不是通常意义上的“科学事实”，当然更不是“客观事实”。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。宇宙学在今天能够获得不受争议的“科学”地位，最重要的原因，就是求解引力场方程这种行为，实在太富有“科学”色彩了。但是迄今为止的一切宇宙模型，都具有明显的建构性质，大爆炸模型也不例外。因为除了“三大验证”所涉及的少数观测事实之外，关于宇宙模型的许多问题，都远远没有得到证实。更为严重的是，从“证伪主义”的立场来看，宇宙学中的许多论断其实只是假说，而且有些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”所建构的宇宙故事——通常表现为宇宙从“无中生有”诞生开始演化的“大事年表”，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，“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中去吗？即使有了幻想中的时间机器，让我们得以“穿越”到到最初三分钟的宇宙中去，也只能是自寻死路——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”，本身确实是观测事实，但对这些事实的解释，也存在无穷多的其他可能。比如3K微波背景辐射，在“大爆炸宇宙模型”中被认为是大爆炸所留下的痕迹，但它被组合进别的宇宙故事中的可能性也完全无法排除。而且，既然我们不可能回到最初三分钟的宇宙，这一切又如何证伪或证实呢？类似的例子还有更多。宇宙学为我们所描绘的宇宙图景，其实是一种即使在现有科学的最大展望中也仍然永远无法验证的图景。我并不反对将宇宙学视为一门科学，但是，如果说科学殿堂是有门票的，是需要检票才可以进入的，那么其实它也有不用检票就可以进入的后门——具有“可证伪性”只是波普尔认为“应该如此”，并不总是进入科学殿堂的必要条件。宇宙学就是这样一个典型的“关系户”，没有门票，未经检票，却早已在殿堂中端坐多年了。