科學(xué)外史II（27）

卡爾·波普爾的“證偽”學(xué)說廣為人知，即“一個(gè)無法證偽（或證實(shí)）的理論沒有資格成為科學(xué)”，但許多人相信此說之后，往往逆向推理，想當(dāng)然地以為所有被我們視為科學(xué)的理論，都已達(dá)到了科學(xué)共同體慣常宣示的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)并非如此。

宇宙學(xué)離得開思辨嗎？

商務(wù)印書館學(xué)術(shù)顧問賀圣遂先生，近年一直極力鼓動(dòng)我寫一本《宇宙史》讓他出版。他鼓動(dòng)我寫的《宇宙史》中包括了大量宇宙學(xué)之外的內(nèi)容，我因準(zhǔn)備不足，至今未能動(dòng)筆。其實(shí)想寫《宇宙史》的人還不少。比如前幾年有個(gè)法國人加爾法德（C. Galfard）就寫了一本《極簡宇宙史》，可惜那書只是一碗放了一點(diǎn)點(diǎn)宇宙學(xué)佐料的文學(xué)雞湯，還被我在書評中揶揄了幾句。

要寫一本關(guān)于宇宙學(xué)的通俗作品，還要讓讀者在沒有天文學(xué)和物理學(xué)前置知識(shí)的情況下就能夠大體了解目前的宇宙學(xué)基本概念，肯定是極為困難的?；艚鹪谒麡O負(fù)盛名的《時(shí)間簡史》中也談了不少宇宙學(xué)，有幾個(gè)人真能讀懂？之所以會(huì)如此，是因?yàn)橛钪鎸W(xué)這門學(xué)問實(shí)在太特殊了。

早期古代文明都有各自的宇宙，不過這類宇宙，在現(xiàn)代科學(xué)的立場上來看，只能算“思辨”的宇宙——意思是它們并未建立在實(shí)際觀測或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上。到了古希臘托勒密天文學(xué)中的宇宙，則是一個(gè)以地球?yàn)橹行牡那蛐斡钪?。倒是有了大量?shí)際觀測依據(jù)。哥白尼的日心宇宙，反而比托勒密的宇宙更加“思辨”——因?yàn)樗苯舆`背我們天天看到的太陽東升西落的實(shí)際觀測結(jié)果。根據(jù)這樣的觀測結(jié)果，地心宇宙本來是非常自然的。

隨著光學(xué)望遠(yuǎn)鏡越造越大，現(xiàn)代意義上的宇宙學(xué)逐漸開啟。19世紀(jì)下半葉光譜分析技術(shù)意外地被應(yīng)用到天文觀測中，又使天文學(xué)家如虎添翼，他們可以觀測到太陽系、銀河系、河外星系，甚至還能知道恒星的元素構(gòu)成和內(nèi)部狀態(tài)……于是他們開始想象建立不再涉嫌“思辨”的宇宙學(xué)——可惜事實(shí)上直到今天也仍然未能做到這一點(diǎn)。

愛因斯坦引力場方程中的宇宙

宇宙學(xué)發(fā)展的歷史，其實(shí)就是一部觀測和建構(gòu)的歷史。觀測容易理解，就是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡越造越大，后來又有了射電望遠(yuǎn)鏡，觀測到的對象越來越多，越來越遠(yuǎn)。建構(gòu)和思辨其實(shí)并無本質(zhì)不同，現(xiàn)代的宇宙學(xué)思辨主要表現(xiàn)為建構(gòu)數(shù)理模型。自從愛因斯坦1915年提出廣義相對論之后，建構(gòu)宇宙數(shù)理模型主要表現(xiàn)為用各種條件和假定來求解引力場方程。一種解對應(yīng)一種宇宙模型，迄今為止已經(jīng)先后出現(xiàn)過多種宇宙模型。

現(xiàn)代宇宙學(xué)中的第一個(gè)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(tài)宇宙模型”。由于那時(shí)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(fā)現(xiàn)，所以愛因斯坦的這個(gè)宇宙模型是一個(gè)“有物質(zhì)，無運(yùn)動(dòng)”的靜態(tài)宇宙。

同年，荷蘭天文學(xué)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(gè)宇宙模型。這個(gè)模型也是靜態(tài)的，但是允許宇宙中的物質(zhì)有運(yùn)動(dòng)。他還提出了“德西特斥力”的概念，試圖用來解釋后來發(fā)現(xiàn)的河外星系退行現(xiàn)象。

1922年，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼（Friedmann）通過解算引力場方程，也建立了一個(gè)宇宙模型。和前面的靜態(tài)模型不同，弗里德曼宇宙模型是動(dòng)態(tài)的，而且是一個(gè)膨脹的宇宙模型，實(shí)際上這已經(jīng)是“大爆炸宇宙模型”的先聲。“大爆炸宇宙模型”中的奇點(diǎn)問題（膨脹始于物質(zhì)密度無窮大時(shí)）在弗里德曼的模型中也已經(jīng)出現(xiàn)了，成為此后長期存在的難題。

1927年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特（G. Lemaitre）在弗里德曼宇宙模型基礎(chǔ)上提出了另一個(gè)稍有不同的宇宙模型。通常人們將這類模型中“宇宙常數(shù)”不為零的情形稱為“勒梅特模型”，而將“宇宙常數(shù)”為零的情形稱為“弗里德曼模型”。

1929年，哈勃（E. P. Hubble）發(fā)現(xiàn)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(jù)，此后弗里德曼一派的宇宙模型逐漸占據(jù)上風(fēng)，直至“大爆炸宇宙模型”在“三大驗(yàn)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(gòu)性質(zhì)，即使“大爆炸宇宙模型”占據(jù)了主流，也并不意味著其他宇宙模型的徹底死亡。

除了上面這些宇宙模型，還有1948年提出的無演化的“穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型”（認(rèn)為宇宙不僅空間均勻各向同性，而且時(shí)間上也穩(wěn)定不變）、將宇宙中物質(zhì)看成壓力為零的介質(zhì)的“塵埃宇宙模型”、甚至還可以包括缺乏精確數(shù)學(xué)描述和理論預(yù)言的“等級式宇宙模型”等等。不過這些模型在結(jié)構(gòu)的合理性、對已有觀測事實(shí)的解釋能力等方面，目前都遜于“大爆炸宇宙模型”，所以都無法獲得主流地位。

宇宙學(xué)的建構(gòu)性質(zhì)

不過，通過求解愛因斯坦場方程形成的宇宙模型，仍然無法和“思辨”絕緣，只是思辨有了更為復(fù)雜的數(shù)理形式而已?，F(xiàn)在流行的宇宙學(xué)書籍中，對各種宇宙模型（包括“大爆炸宇宙模型”）的描述，都還不是通常意義上的“科學(xué)事實(shí)”，當(dāng)然更不是“客觀事實(shí)”。所有這些描述，都只是一種人為建構(gòu)的關(guān)于我們外部世界的“圖景”而已。

宇宙學(xué)在今天能夠獲得不受爭議的“科學(xué)”地位，最重要的原因，就是求解引力場方程這種行為，實(shí)在太富有“科學(xué)”色彩了。但是迄今為止的一切宇宙模型，都具有明顯的建構(gòu)性質(zhì)，大爆炸模型也不例外。因?yàn)槌?ldquo;三大驗(yàn)證”所涉及的少數(shù)觀測事實(shí)之外，關(guān)于宇宙模型的許多問題，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到證實(shí)。

更為嚴(yán)重的是，從“證偽主義”的立場來看，宇宙學(xué)中的許多論斷其實(shí)只是假說，而且有些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(gòu)的宇宙故事——通常表現(xiàn)為宇宙從“無中生有”誕生開始演化的“大事年表”，其中開頭幾項(xiàng)，經(jīng)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(xué)說，“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(shí)間機(jī)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(huán)境中不可能有任何生物生存。

又如，即使是“三大驗(yàn)證”，本身確實(shí)是觀測事實(shí)，但對這些事實(shí)的解釋，也存在無窮多的其他可能。比如3K微波背景輻射，在“大爆炸宇宙模型”中被認(rèn)為是大爆炸所留下的痕跡，但它被組合進(jìn)別的宇宙故事中的可能性也完全無法排除。而且，既然我們不可能回到最初三分鐘的宇宙，這一切又如何證偽或證實(shí)呢？

類似的例子還有更多。宇宙學(xué)為我們所描繪的宇宙圖景，其實(shí)是一種即使在現(xiàn)有科學(xué)的最大展望中也仍然永遠(yuǎn)無法驗(yàn)證的圖景。

我并不反對將宇宙學(xué)視為一門科學(xué)，但是，如果說科學(xué)殿堂是有門票的，是需要檢票才可以進(jìn)入的，那么其實(shí)它也有不用檢票就可以進(jìn)入的后門——具有“可證偽性”只是波普爾認(rèn)為“應(yīng)該如此”，并不總是進(jìn)入科學(xué)殿堂的必要條件。宇宙學(xué)就是這樣一個(gè)典型的“關(guān)系戶”，沒有門票，未經(jīng)檢票，卻早已在殿堂中端坐多年了。