宇宙学是一门科学 科学知识关于宇宙


宇宙学是一门科学 科学知识关于宇宙

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撰文 | 江晓原
(上海交通大学讲席教授,科学史与科学文化研究院首任院长)
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人类认识宇宙的历史,是一部观测和建构的历史
商务印书馆(上海)有限公司前总经理贺圣遂先生要是有机会看到我的这篇序,估计会大呼遗憾——最近几年,他一直极力鼓动我写一本《宇宙史》,让他出版 。现在估计他会说:“你看看,大好选题,被人家做了吧?”当然,聊以自慰的路径也不是没有:贺总鼓动我写的《宇宙史》包括了大量宇宙学之外的内容 。
其实,想写《宇宙史》的人还不少 。比如前几年法国人克里斯托弗·加尔法德就写了一本《极简宇宙史》,可惜那本书只是一碗放了一点点宇宙学作料的文学鸡汤,作为科普作品并不精彩 。记得,我还在发表的书评中揶揄了它几句 。
这本《宇宙小史》倒是一部不错的宇宙学普及作品 。此书中译本最初也曾考虑过《极简宇宙史》这个书名(我收到的审读本封面上就是这样写的),但因为和上面说的法国文学鸡汤重名,出版社采纳我的建议,改成了《宇宙小史》 。
作为科普作品,此书在风格上和意大利人卡洛·罗韦利的《七堂极简物理课》颇有异曲同工之处,也是尝试在简短的篇幅中,将一些基本原理和发现介绍给读者 。《宇宙小史》尽力让读者不需要天文学和物理学方面的前置知识,就能够整体了解目前主流的“大爆炸宇宙模型”的基本知识,这一点还是很成功的 。
这本书正文只有五章,外加序言和四个附录 。第一章介绍了目前人类了解的关于宇宙的常识,如宇宙的尺度和年龄、宇宙的膨胀、宇宙是否无限等问题 。第二章探讨了宇宙的构成和演化,涉及物质、暗物质、宇宙学常数等问题,比第一章稍微抽象一点 。第三章专门讨论宇宙微波背景,是这本书中涉及相关技术细节最多的一章,但仍能够让没学过物理学的读者理解 。第四章从整体上讨论这本书所采用的“大爆炸宇宙模型” 。第五章讨论了中微子、引力波和其他一些属于宇宙学前沿领域研究的现状 。相较而言,这本书属于“老老实实做科普”的类型 。在已经高度精简的篇幅中,没有文学性的废话,而是高度浓缩了关于“大爆炸宇宙模型”的主要知识 。
《宇宙小史》,作者:[美]莱曼?佩奇(Lyman Page),版本:中信出版社,2022-3 。
由于此书“史”的色彩并不浓厚,我这里先帮助补充一点 。人类认识宇宙的历史,其实就是一部观测和建构的历史 。观测容易理解,就是望远镜越造越大,观测到的对象越来越多,可观测的距离越来越远 。建构则主要是构造数理模型,自从爱因斯坦于1915 年提出广义相对论之后,建构宇宙的数理模型,主要表现为用各种各样的条件和假定来解算引力场方程 。迄今为止,先后出现过的宇宙模型,实际上已经有很多种 。
现代宇宙学的第一个宇宙模型,是1917 年爱因斯坦自己通过解算引力场方程而建立的,通常被称为“爱因斯坦静态宇宙模型” 。由于那时河外星系(银河系以外的星系——银河系只是星系之一)的退行尚未被发现,所以爱因斯坦的这个宇宙模型是一个“有物质,无运动”的静态宇宙模型 。
同年,荷兰天文学家威廉·德西特也通过解算爱因斯坦的引力场方程得出了一个宇宙模型 。这个模型也是静态的,但是允许宇宙中的物质运动,还提出了“德西特斥力”这个概念,可以用来解释后来发现的河外星系退行现象 。
1922年,苏联数学家亚历山大·弗里德曼通过解算引力场方程,也建立了一个宇宙模型 。和前面的静态宇宙模型不同,弗里德曼的宇宙模型是动态的,而且是一个膨胀的宇宙模型,实际上这已经是“大爆炸宇宙模型”的先声 。“大爆炸宇宙模型”中的奇点问题(膨胀始于物质密度无穷大时)在弗里德曼的模型中也已经出现,成为此后长期存在的难题 。


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