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更新日期:2018-09-26
科学的历程

▲吴国盛


作者 吴国盛 (本号主编,清华大学科学史系教授

责编 许嘉芩 刘愈


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田松按:

这是吴国盛教授在哲学系就读硕士一年级时发表在北大学生出版物《北大五·四科学论文集(1984年)》的文章,据作者介绍,是他第一篇见诸铅字的文章。作为北大空间物理系的毕业生,写这样一篇宇宙学的科普文章比他的同学应该更有底气。从今天看,也是很好的科普文章。

不过,对于今天的读者而言,恐怕不了解当时的社会文化氛围。宇宙论在当时是一个相对敏感的意识形态话题。在当时的主流意识形态看来,主张宇宙无限才是辩证唯物主义的观点,而认为宇宙起源于大爆炸、认为宇宙有限的宇宙学,是资产阶段的,唯心主义的。在文革期间,不用说宇宙学是反动的,连爱因斯坦的相对论,也都曾遭到批判,原因之一是“相对”不是一个好词。时至今日,仍然能听到这样的贬义说法,说某某堕入了“相对主义的泥潭”。所以早期为爱因斯坦辩护的人,总是要反复解释,科学的“相对论”与哲学的“相对主义”不是一回事儿。不大会有人如我今天这般,自我标榜是“相对主义者”,如刘华杰那般,宣称“相对主义优于绝对主义”。

这篇文章貌似作科普,没有谈及意识形态问题,其实从内容上,已经隐含了对正统观点的否定。此为三十六计之“假痴不癫”。

形形色色的宇宙论体系交织着观测与猜测、科学与形而上学,由于宇宙学和哲学都同时考察宇宙整体的普遍规律,宇宙论中形而上学的假定和前提对理论本身的建立和发展产生着极大的影响。要发展现代宇宙学就必须批判这些形而上学基础。

奠基在万有引力定律之上的牛顿宇宙模型指出,无限数量的物质客体均匀分布在无限的平直空间中,随着绝对时空的均匀流逝,天体依照力学的规律运动不息。在这里牛顿否定了亚里士多德所谓空间位置的绝对意义,确认任何时空点都是物理上平权的,建立了天上人间的一统理论。但是无限时空假设显见是一个形而上学命题,它既不是牛顿力学的必然推论,也不是观测结果的归纳,而是日常生活中人们的一种直觉。因此当夜黑佯谬和引力佯谬的发现暴露了无限时空假设与万有引力定律的矛盾时,对这个形而上学假设的批判就开始了。

沙利叶试图维护万有引力定律和无限宇宙时空的统一因而牺牲了物质分布的均匀性,他的无限阶梯式模式按物质密度把宇宙分成多个层次,愈向外层密度愈小,无穷外趋向于0,这样两个佯谬是解决了,但空间虽然是无限的,物质却有限,并且宇宙又有了中心,被牛顿废弃了的亚里士多德精神在沙里叶那里又重新复活。

相对论宇宙学在一种崭新的时空观指引下对牛顿宇宙学进行批判。狭义相对论否定了绝对时空的存在,广义相对论把时空的几何曲率张量与宇宙物质的应力能量张量直接相联系,从而表明了时空对运动物质的依赖关系。爱因斯坦承袭牛顿的大一统思想,把宇宙各向同性处处均匀作为宇宙学原理固定下来,提出有限无界静态宇宙模型。哈勃河外星系红移的发现打破了静态观念,为大爆炸宇宙学的产生奠定了基础。

1954年,伽莫夫提出热大爆炸理论,他把宇宙结构与宇宙生成演化联系在一起加以研究,从物理化学性质方面说明宇宙物质的起源。由奇点爆炸开始,温度降低,物质逐次生成,时空随之出现。大爆炸宇宙学认为,宇宙天体的相互远离不是在绝对空间中的膨胀,而是空间本身的膨胀,时空是被创造的,不是永恒的存在形式。对星系红移、氦丰度和3k 背景辐射三大宇宙现象合理而独创的解释,使大爆炸理论成为现代宇宙学中的经典理论。

但它决不是终极的真理,从下面三个方面进行的批判性考察就足以使我们相信宇宙学理论发展前景的无限广阔。首先,检查实验的直接性和定量性,我们发现大爆炸理论对观测现象的解释只是某些合理解释的一种,并不具有唯一性,所以实验都只是间接支持。

第二,关于理论前提的怀疑。现代宇宙学的基础是引力场方程和宇宙学原理即哥白尼原理,然而这两大基础之间是矛盾的,哥白尼原理认为对宇宙的观测都是在一些星系或星系团组成的背景空间上进行的,离开了这些背景空间,宇宙将不再是各向同性和处处均匀的,但是引力场方程所体现的相对论是排斥绝对空间的,所以正象在牛顿宇宙论那里万有引力与无限时空的矛盾一样,引力场方程和宇宙学原理也是不相容的。再者,正象在牛顿宇宙论那里必然要导致无限性矛盾一样,相对论本质上也会导致奇点,如大爆炸的起点,物质坍缩后形成的黑洞等,在这些奇点处,因果律消失了,空间曲率变得无限大,这都是物理学家不能容忍的。最后,我们依赖的广义相对论,它的适用范围如何呢?

第三,形而上学前提的怀疑,即对一些认识论和方法论的分析批判。首先是,宇宙学是观测科学,不是实验科学,我们对宇宙的规律的把握都基于这样一个假定即我们在地球上通过实验得出的规律也适合于宇宙中的任何地方,然而这种外推法是合理的吗?其次,我们认识到的宇宙从来是局部的,我们探求这些局部的规律是把局部从全局中孤立出来,这样便存在一个离开整体把握部分是否可能的问题。再次,面对着大量观测数据,如何从中区别共性与个性、现象与本质、必然与偶然呢?如果采用方法,那是基于这样的前提即我们观测到的过程是自然界中最容易发生的而不是稀有的,然而事实上往往观测到的不是那些自然界最容易发生的现象,而是那些最容易被观测到的现象,它依赖主体的观测能力和认识水平,更依赖于认识形式的选择作用,而这种选择效应是原则上不可消除的。

现代宇宙学开始了对时空的科学探索。哲学应该持一个什么态度呢?哲学史和科学史表明,自然科学每向某一个领域扩展都必然导致哲学从此领域中退出,作为自然观的时空观也应交付自然科学。马克思主义哲学关于宇宙无限的思想只是说明了物质的进化永无止境,人们对客观物质世界的认识无穷无尽,至于我们的物理宇宙是有限还是无限,是否存在着超时空中的无限数目的宇宙就让自然科学家依照自然不断提供的新信息去研究并得出结论吧,潜移默化于宇宙学研究中的认识论、方法论不正等待着哲学家进一步去探讨?哲学放弃对时空的把握只是使自己更加抽象,与自然科学的指导关系更加深刻更加密切。现代宇宙学的进展正是一方面依赖新的观测事实,另一方面根据对形而上学基础的批判,这种分析的怀疑的哲学精神使得宇宙学家即使在新的事实与旧理论的冲突面前也不致于手足无措、内心恐慌。

【原载《北大五·四科学论文集(1984年)》,这是吴国盛第一篇变成“铅字”的文章。转载请联系作者获取授权,并注明出处。】

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