宇宙學(xué)是一門科學(xué)

商務(wù)印書館（上海）有限公司前總經(jīng)理賀圣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》，讓他出版?，F(xiàn)在估計他會說：“你看看，大好選題，被人家做了吧？”當(dāng)然，聊以自慰的路徑也不是沒有：賀總鼓動我寫的《宇宙史》包括了大量宇宙學(xué)之外的內(nèi)容。

其實，想寫《宇宙史》的人還不少。比如前幾年法國人克里斯托弗·加爾法德就寫了一本《極簡宇宙史》，可惜那本書只是一碗放了一點點宇宙學(xué)作料的文學(xué)雞湯，作為科普作品并不精彩。記得，我還在發(fā)表的書評中揶揄了它幾句。

這本《宇宙小史》倒是一部不錯的宇宙學(xué)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（我收到的審讀本封面上就是這樣寫的），但因為和上面說的法國文學(xué)雞湯重名，出版社采納我的建議，改成了《宇宙小史》。

作為科普作品，此書在風(fēng)格上和意大利人卡洛·羅韋利的《七堂極簡物理課》頗有異曲同工之處，也是嘗試在簡短的篇幅中，將一些基本原理和發(fā)現(xiàn)介紹給讀者?！队钪嫘∈贰繁M力讓讀者不需要天文學(xué)和物理學(xué)方面的前置知識，就能夠整體了解目前主流的“大爆炸宇宙模型”的基本知識，這一點還是很成功的。

這本書正文只有五章，外加序言和四個附錄。相較而言，這本書屬于“老老實實做科普”的類型。在已經(jīng)高度精簡的篇幅中，沒有文學(xué)性的廢話，而是高度濃縮了關(guān)于“大爆炸宇宙模型”的主要知識。

《宇宙小史》作者萊曼·佩奇（Lyman Page），普林斯頓大學(xué)物理系主任，美國國家科學(xué)院院士，美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院院士。他是觀測宇宙學(xué)方面的專家，也是威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）最初的聯(lián)合研究者之一，該探測器用于對宇宙年齡的精準(zhǔn)測量

由于此書“史”的色彩并不濃厚，我這里先幫助補充一點。

人類認識宇宙的歷史，其實就是一部觀測和建構(gòu)的歷史。

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(gòu)則主要是構(gòu)造數(shù)理模型，自從愛因斯坦于1915年提出廣義相對論之后，建構(gòu)宇宙的數(shù)理模型，主要表現(xiàn)為用各種各樣的條件和假定來解算引力場方程。迄今為止，先后出現(xiàn)過的宇宙模型，實際上已經(jīng)有很多種。

現(xiàn)代宇宙學(xué)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(tài)宇宙模型”。由于那時河外星系（銀河系以外的星系——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宇宙模型是一個“有物質(zhì)，無運動”的靜態(tài)宇宙模型。

同年，荷蘭天文學(xué)家威廉·德西特也通過解算愛因斯坦的引力場方程得出了一個宇宙模型。這個模型也是靜態(tài)的，但是允許宇宙中的物質(zhì)運動，還提出了“德西特斥力”這個概念，可以用來解釋后來發(fā)現(xiàn)的河外星系退行現(xiàn)象。

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

1927年，比利時天文學(xué)家喬治·勒梅特在弗里德曼的宇宙模型的基礎(chǔ)上提出了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(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，埃德溫·哈勃提出了著名的“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“三大驗證”（哈勃紅移——河外星系退行、氦豐度、3K背景輻射）的支持下成為主流宇宙理論。

不過，由于任何宇宙模型都無法避免明顯的建構(gòu)性質(zhì)，因此，即使“大爆炸宇宙模型”占據(jù)主流，也并不意味著其他宇宙模型徹底死亡。

除了前面提到的早期靜態(tài)宇宙模型，還有1948年提出的無演化的“穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型”（認為宇宙不僅空間均勻各向同性，而且時間上也穩(wěn)定不變）、將宇宙中的物質(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。目前，這些模型在結(jié)構(gòu)的合理性、對已有觀測事實的解釋能力等方面，都遜于“大爆炸宇宙模型”，所以未能獲得主流地位。

不過，我感覺有必要在這里提醒讀者，通常各種宇宙學(xué)圖書中對“大爆炸宇宙模型”的描述，都不應(yīng)該被簡單視為客觀事實或“科學(xué)事實”。我們必須明確意識到：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。

而且，由于宇宙學(xué)這門學(xué)科的特殊性質(zhì)，哲學(xué)上關(guān)于外部世界的真實性問題，在宇宙學(xué)理論中特別突出、特別重要。

波普爾關(guān)于“證偽”的學(xué)說流傳甚廣，他認為那些無法被證偽的學(xué)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(xué)理論。由于這個說法廣為人知，結(jié)果在公眾中形成了一個誤解：以為當(dāng)今大家公認的科學(xué)理論，都必然是具有“可證偽性”的，而事實并非如此。

事實上，在今天的科學(xué)殿堂中，就有不少并不真正具有“可證偽性”的學(xué)問，正端坐在崇高的位置上。換句話說，具有“可證偽性”并不總是進入科學(xué)殿堂的必要條件。宇宙學(xué)就是一門這樣的學(xué)問。

按照今天科學(xué)殿堂的入選規(guī)則，宇宙學(xué)當(dāng)然毫無疑問擁有“科學(xué)”資格，但是由于迄今為止的一切宇宙模型，都具有明顯的建構(gòu)性質(zhì)，“大爆炸宇宙模型”也不例外，所以除了“三大驗證”所涉及的有限的觀測事實之外，關(guān)于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“證偽主義”的角度來看，宇宙學(xué)中的許多論斷（其實是假說）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)的宇宙從誕生開始演化的“大事年表”，其中開頭幾項，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，想一想“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嗎？我們便會發(fā)現(xiàn)，即使有幻想中的時間機器，讓我們得以“穿越”到最初三分鐘的宇宙，也只能是自尋死路，因為在那樣高能量、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，既然我們不可能回到最初三分鐘的宇宙，這一點又如何證偽或證實呢？

類似的例子還可以舉出更多。

因此，我們必須注意到：宇宙學(xué)為我們描繪的宇宙圖景，是一種即使在現(xiàn)有科學(xué)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(xué)是一門科學(xué)。

本文為《宇宙小史》的序言，作者系上海交通大學(xué)講席教授、科學(xué)史與科學(xué)文化研究院首任院長。

《宇宙小史》，【美】萊曼·佩奇/著，中信出版集團，2022年3月版