宇宙学需要哲学吗?

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撰文：Bridget Falck

天体物理学和宇宙学中那些厌恶哲学的人是怎么想的呢？从霍金（Stephen Hawking）提出的“哲学已死”，到温伯格（Steven Weinberg）在《终极理论之梦》（1992年）中的长篇声讨——“反对哲学”，许多物理学家和天体物理学家认为哲学是无用的，或者至少对科学是无用的。

与此同时，霍金与合作者Leonard Mlodinow在《大设计》（2010年）中提出了一种名为“模型相关现实主义”（model-dependent realism）的科学研究方法，而温伯格的书则热情地（以哲学的方式）反对逻辑实证主义和形而上学。如果哲学如此无用，那么为什么霍金和温伯格，还有Neil deGrasse Tyson、Lawrence Krauss以及其他反对哲学的人，会如此频繁地参与哲学讨论呢？

不管那些讨厌哲学的人怎么想，科学的所有领域都面临着在科学自身的进程中无法解答的问题。每当科学家研究检验一种理论的最佳方法，或者想知道科学模型与现实的关系时，他们都是在研究哲学。然而，因为处于研究整体存在的独特地位上，宇宙学尤其充满了哲学的困惑和立场。

宇宙学原理

事实上，在宇宙学的核心，隐藏着一种哲学信仰。宇宙学原理说，在大尺度上，宇宙是均匀的（在所有位置看起来都一样）以及各向同性的（在所有方向看起来都一样）。例如，从海洋中的一条船上看到的景象就是各向同性的，但是，当陆地进入视野时，各个方向上的景象就并非完全相同了。而风平浪静的海面看起来是均匀的，直到靠近海岸时，这种均匀性才被破坏。

○ 宇宙微波背景辐射全天图，由WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，威尔金森微波各向异性探测器）九年观测数据绘制而成（2012年）。宇宙微波背景辐射是宇宙中最古老的光，是“大爆炸”遗留下来的、充满整个宇宙的电磁辐射。在光学望远镜看来漆黑一片的星际间宇宙，用射电望远镜则可以探测到微弱的背景辉光，且在各个方向上几乎相同，它显示出微小的温度涨落，对应着宇宙局部密度的细微差异。

宇宙是如何演化的？又是如何由均匀的热等离子体膨胀并冷却，形成我们现在可通过望远镜观测的复杂的宇宙网络？宇宙学原理是理解这些问题的基础。要假设宇宙各处都均匀且具有各向同性，首先就必须对那些不重要的、较小的差异进行平均，比如整个行星甚至星系。因此，宇宙学原理是一个统计性的原理，只有在应用到足够大的尺度上时，它才能成立。

即便如此，宇宙学原理也可能并不成立。因为宇宙并不需要是均匀的，即使宇宙学原理不成立，爱因斯坦的引力理论仍然有效——引力会导致结构随着时间的推移而增长，扩大最初的微小差异。（这些最初的差异是来自于虚拟粒子的“量子涨落”，还是其他更奇怪的理论？仍是未解决的问题。）

因此，科学家对于是否接受宇宙学原理犹疑不定。宇宙学原理是我们描述宇宙演化的基础，然而到目前为止，我们并不能证明这是真的。测量宇宙是否均匀，或者宇宙在什么尺度上开始变得均匀的尝试遭遇了复杂的结果。但是我们确实观测到了宇宙的各向同性——在大爆炸的几十万年以后，从宇宙的各个方向发射的宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background radiation）是各向同性的，涨落仅为十万分之一。类似地，在海洋中的船上，尽管可能会看到微小的差异，比如小小的波浪翻滚，然而海面基本上仍然是各向同性的。



○ COBE（1989年发射），WMAP（2001年发射），Planck（2009年发射）三个探测器观测到的宇宙微波背景辐射，观测分辨率依次提高，测量宇宙结构的尺度逐渐变得精细。 在大尺度上，宇宙几乎是均匀和各向同性的。| 图片来源：Wikipedia

哥白尼原理

现在，即使没有均匀性，仍然可能有各向同性。对于一个处于球形的物质分布中心的观察者来说，在所有方向上，物体看起来都是一样的，但是这样的分布不一定是均匀的。然而，许多宇宙学家仍然乐于相信，宇宙在某种尺度上确实是均匀的，无论这种均匀性目前有没有被测量到——因为根据非经验的哲学原理，均匀性逻辑上伴随各向同性出现。

这就是众所周知的哥白尼原理（Copernican principle）。哥白尼原理指出，并不存在特殊的观察者（privileged observer），我们并不处于宇宙中的某个特殊地方——宇宙中心当然是一个非常特殊的地方。根据这一原理，不仅是从地球上人类的角度，从所有有利的角度来看，宇宙的任何角落都是各向同性的——为确保这一原理成立，宇宙也必须是均匀的。如果从每艘船上看到的风景是各向同性的，那么一定没有陆地让事物看起来有所不同，所以在任何地点，大海一定是相同的。



○ 图片出自开普勒于1617-1621年间发表的关于日心说的作品《哥白尼天文学概要》（Epitome Astronomiae Copernicanae），图中的M代表拉丁文Mundus，是“世界”的意思，意在说明人类所在的地球不过是无数相似星体中的一个而已。| 图片来源：Wikipedia

在宇宙学领域，哥白尼原理被如此彻底地接受，以至于许多科学家将其与宇宙学原理混淆，或者简单地视之为一个给定的东西，甚至在教科书中也是如此。事实上，宇宙学原理可以被视为哥白尼原理的一个更普适的版本，因为在一个均匀和各向同性的宇宙中，不存在任何特殊的观察者或特殊的地点。然而，宇宙学原理可以被明确检验，而哥白尼原理则是一种理念——它相信宇宙是怎样的，而并不依赖经验数据。显然，哥白尼原理也是一个现代的观念，因为在人类历史的大部分时期，人们可是一直相信地球是万物的中心。

哲学对于宇宙学的意义

这些观点对于宇宙学的重要性，只是宇宙学通过哲学论证取得进展的一种方式。

就像研究天体的天文学一样，宇宙学只能通过观察而非实验来验证其理论。因为我们不能拿整个宇宙来做实验，就连在实验室里爆炸一颗恒星都不可能——即使可以在实验室里爆炸一颗恒星，人们也可能采取哲学立场说，我们不应该做这种实验。但是，尽管天文学家在建造望远镜以观测数百万个星系、数十亿颗恒星，宇宙却只有一个（或者说，只有一个多重宇宙）。而且，我们地球上的人类被困在宇宙中一个特定位置，只能观察到广大却有限的宇宙。这些限制意味着，对于宇宙学理论的创建和验证，哲学选择将永远发挥作用。



○ 我们的宇宙只是多重宇宙中的一个？| 图片来源：Pixabay

除了方法问题，宇宙学的内容还触及了关于存在本质的哲学问题。

宇宙学以一种最根本的方式研究起源。宇宙是从大爆炸最初的奇点开始的吗？时间也是由此开始吗？（或者这个问题本身有意义吗？）或者奇点（局部无限的点，比如黑洞）是否意味着我们的理论存在问题？或许我们应该更倾向循环宇宙模型（cyclical cosmology），在循环宇宙中，过去的宇宙死亡，然后发生大爆炸，产生新的宇宙。如果我们不可能重现早期宇宙的条件——如果早期宇宙高能量的状态是我们所能够建造的任何粒子加速器都无法企及的——那么我们如何着手探索这些宇宙奥秘呢？

思考或回答这样的问题并不一定是宇宙学家的工作，就像提出“万物理论”不是科学哲学家的工作一样。但是，如果宇宙学家更愿意与他们研究哲学的伙伴合作的话，可能会受益良多。有如此多的科学家停滞在诸如波普尔（Karl Popper）可证伪性（falsification）这样的理论中，粒子物理学家和宇宙学家又深陷关于多重宇宙人择原理（anthropic principle）的泥潭，我们确实需要哲学的帮助。（强人择原理认为，正是因为宇宙具有某些特性，例如基本自然常数以及宇宙年龄，才最终导致智慧生命的出现，如果宇宙不是调控得如此精确，人类便不会存在，更遑论观察宇宙。弱人择原理则认为，人类生存于多重宇宙中的一个，只有在那些有能力提供生命生存条件的宇宙中，才可能出现生命，人类作为观察者之所以存在于这个时空位置，是因为这个位置提供了我们存在的可能。）

○ 卡尔·波普尔批判经典的观测-归纳法，他认为，人们只能依靠有限的实验数据创建科学理论，因而并不能证明一条科学理论绝对正确无误，科学理论都只是暂时的、尚未被证伪的假设。真伪具有不对称性，真不能被证明，只有伪可以被证明。可证伪性原则是波普尔哲学思想的核心。| 图片来源：Wikipedia

日见增多的哲学宇宙论倡议可能是一个信号，表明前景正在改善，尽管仍有讨厌哲学的人。宇宙学原理的例子提醒我们，无论我们意识到与否，宇宙学都充满了哲学选择。

译：Gabrielle

原文标题为“Why cosmology without philosophy is like a ship without a hull”，首发于2018年7月23日的Aeon。原文链接：https://aeon.co/ideas/why-cosmology-without-philosophy-is-like-a-ship-without-a-hull。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。