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》，讓他出版。現在估計他會說：“你看看，大好選題，被人家做了吧？”當然，聊以自慰的路徑也不是沒有：賀總鼓動我寫的《宇宙史》包括了大量宇宙學之外的内容。
其實，想寫《宇宙史》的人還不少。比如前幾年法國人克裡斯托弗·加爾法德就寫了一本《極簡宇宙史》，可惜那本書隻是一碗放了一點點宇宙學作料的文學雞湯，作為科普作品并不精彩。記得，我還在發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，此書在風格上和意大利人卡洛·羅韋利的《七堂極簡實體課》頗有異曲同工之處，也是嘗試在簡短的篇幅中，将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實體學方面的前置知識，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。
這本書正文隻有五章，外加序言和四個附錄。第一章介紹了目前人類了解的關于宇宙的常識，如宇宙的尺度和年齡、宇宙的膨脹、宇宙是否無限等問題。第二章探讨了宇宙的構成和演化，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。第三章專門讨論宇宙微波背景，是這本書中涉及相關技術細節最多的一章，但仍能夠讓沒學過實體學的讀者了解。第四章從整體上讨論這本書所采用的“大爆炸宇宙模型”。第五章讨論了中微子、引力波和其他一些屬于宇宙學前沿領域研究的現狀。相較而言，這本書屬于“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，而是高度濃縮了關于“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：中信出版社，2022-3。
由于此書“史”的色彩并不濃厚，我這裡先幫助補充一點。人類認識宇宙的曆史，其實就是一部觀測和建構的曆史。觀測容易了解，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，自從愛因斯坦于1915 年提出廣義相對論之後，建構宇宙的數理模型，主要表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，先後出現過的宇宙模型，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“愛因斯坦靜态宇宙模型”。由于那時河外星系（銀河系以外的星系——銀河系隻是星系之一）的退行尚未被發現，是以愛因斯坦的這個宇宙模型是一個“有物質，無運動”的靜态宇宙模型。
同年，荷蘭天文學家威廉·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。這個模型也是靜态的，但是允許宇宙中的物質運動，還提出了“德西特斥力”這個概念，可以用來解釋後來發現的河外星系退行現象。
1922年，蘇聯數學家亞曆山大·弗裡德曼通過解算引力場方程，也建立了一個宇宙模型。和前面的靜态宇宙模型不同，弗裡德曼的宇宙模型是動态的，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（膨脹始于物質密度無窮大時）在弗裡德曼的模型中也已經出現，成為此後長期存在的難題。
1927年，比利時天文學家喬治·勒梅特在弗裡德曼的宇宙模型的基礎上提出了另一個稍有不同的宇宙模型。通常人們将這類模型中“宇宙常數”不為零的情形稱為“勒梅特模型”，而将“宇宙常數”為零的情形稱為“弗裡德曼模型”。
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。此後，弗裡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——河外星系退行、氦豐度、3K 背景輻射）的支援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性質，是以，即使“大爆炸宇宙模型”占據主流，也并不意味着其他宇宙模型徹底死亡。
除了前面提到的早期靜态宇宙模型，還有1948 年提出的無演化的“穩恒态宇宙模型”（認為宇宙不僅空間均勻各向同性，而且時間上也穩定不變）、将宇宙中的物質看成壓力為零的媒體的“塵埃宇宙模型”，甚至還可以包括缺乏精确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”，是以未能獲得主流地位。
萊曼 佩奇（Lyman Page），普林斯頓大學實體系主任，美國國家科學院院士，美國藝術與科學學院院士。觀測宇宙學方面的專家，也是威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）最初的聯合研究者之一，該探測器用于對宇宙年齡的精準測量。2010年，因在解開宇宙年齡方面取得的重大成果，獲得被譽為“東方諾貝爾獎”的邵逸夫天文學獎。2018年，因為“WMAP 實驗團隊繪制了早期宇宙的詳細地圖,更新了人類對宇宙演化的認知”獲得了2018年基礎實體學突破獎。
2
具有“可證僞性”并不總是一門學問進入科學殿堂的必要條件
不過，我感覺有必要在這裡提醒讀者，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”。我們必須明确意識到：所有這些描述都隻是一種人為建構的關于我們外部世界的“圖景”而已。而且，由于宇宙學這門學科的特殊性質，哲學上關于外部世界的真實性問題，在宇宙學理論中特别突出、特别重要。
波普爾關于“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），無論是否正确，都沒有資格被稱為科學理論。由于這個說法廣為人知，結果在公衆中形成了一個誤解：以為當今大家公認的科學理論，都必然是具有“可證僞性”的，而事實并非如此。
事實上，在今天的科學殿堂中，就有不少并不真正具有“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”并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，但是由于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，是以除了“三大驗證”所涉及的有限的觀測事實之外，關于宇宙模型的許多問題，都還遠遠沒有得到證明。
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）從根本上排除了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“大事年表”（這本書的附錄C 就是這種年表），其中開頭幾項，經常以“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。但是隻要對照波普爾的“證僞”學說，想一想“宇宙的最初三分鐘”能被證僞嗎？我們能回到最初三分鐘的宇宙嗎？我們便會發現，即使有幻想中的時間機器，讓我們得以“穿越”到最初三分鐘的宇宙，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迹。可是，既然我們不可能回到最初三分鐘的宇宙，這一點又如何證僞或證明呢？
類似的例子還可以舉出更多。是以，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，經出版社授權刊發）
編輯 | 劉亞光
校對 | 劉軍