你知道哲學嗎?那麼宇宙學需要哲學嗎?

博科園-科學科普

天體物理學和宇宙學中那些厭惡哲學的人是怎麼想的呢？從霍金（Stephen Hawking）提出的「哲學已死」，到溫伯格（Steven Weinberg）在《終極理論之夢》（1992年）中的長篇聲討——「反對哲學」，許多物理學家和天體物理學家認為哲學是無用的，或者至少對科學是無用的。與此同時，霍金與合作者Leonard Mlodinow在《大設計》（2010年）中提出了一種名為「模型相關現實主義」（model-dependent realism）的科學研究方法，而溫伯格的書則熱情地（以哲學的方式）反對邏輯實證主義和形上學。

如果哲學如此無用，那麼為什麼霍金和溫伯格，還有Neil deGrasse Tyson、Lawrence Krauss以及其他反對哲學的人，會如此頻繁地參與哲學討論呢？不管那些討厭哲學的人怎麼想，科學的所有領域都面臨著在科學自身的進程中無法解答的問題。每當科學家研究檢驗一種理論的最佳方法，或者想知道科學模型與現實的關係時，他們都是在研究哲學。然而，因為處於研究整體存在的獨特地位上，宇宙學尤其充滿了哲學的困惑和立場。

宇宙學原理

事實上，在宇宙學的核心，隱藏著一種哲學信仰。宇宙學原理說，在大尺度上，宇宙是均勻的（在所有位置看起來都一樣）以及各向同性的（在所有方向看起來都一樣）。例如，從海洋中的一條船上看到的景象就是各向同性的，但是，當陸地進入視野時，各個方向上的景象就並非完全相同了。而風平浪靜的海面看起來是均勻的，直到靠近海岸時，這種均勻性才被破壞。

宇宙微波背景輻射全天圖，由WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，威爾金森微波各向異性探測器）九年觀測數據繪製而成（2012年）。宇宙微波背景輻射是宇宙中最古老的光，是「大爆炸」遺留下來的、充滿整個宇宙的電磁輻射。在光學望遠鏡看來漆黑一片的星際間宇宙，用射電望遠鏡則可以探測到微弱的背景輝光，且在各個方向上幾乎相同，它顯示出微小的溫度漲落，對應著宇宙局部密度的細微差異。

宇宙是如何演化的？又是如何由均勻的熱等離子體膨脹並冷卻，形成我們現在可通過望遠鏡觀測的複雜的宇宙網絡？宇宙學原理是理解這些問題的基礎。要假設宇宙各處都均勻且具有各向同性，首先就必須對那些不重要的、較小的差異進行平均，比如整個行星甚至星系。因此，宇宙學原理是一個統計性的原理，只有在應用到足夠大的尺度上時，它才能成立。即便如此，宇宙學原理也可能並不成立。因為宇宙並不需要是均勻的，即使宇宙學原理不成立，愛因斯坦的引力理論仍然有效——引力會導致結構隨著時間的推移而增長，擴大最初的微小差異。（這些最初的差異是來自於虛擬粒子的「量子漲落」，還是其他更奇怪的理論？仍是未解決的問題。）

因此，科學家對於是否接受宇宙學原理猶疑不定。宇宙學原理是我們描述宇宙演化的基礎，然而到目前為止，我們並不能證明這是真的。測量宇宙是否均勻，或者宇宙在什麼尺度上開始變得均勻的嘗試遭遇了複雜的結果。但是我們確實觀測到了宇宙的各向同性——在大爆炸的幾十萬年以後，從宇宙的各個方向發射的宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background radiation）是各向同性的，漲落僅為十萬分之一。類似地，在海洋中的船上，儘管可能會看到微小的差異，比如小小的波浪翻滾，然而海面基本上仍然是各向同性的。

COBE（1989年發射），WMAP（2001年發射），Planck（2009年發射）三個探測器觀測到的宇宙微波背景輻射，觀測解析度依次提高，測量宇宙結構的尺度逐漸變得精細。 在大尺度上，宇宙幾乎是均勻和各向同性的。| 圖片：Wikipedia

哥白尼原理

現在，即使沒有均勻性，仍然可能有各向同性。對於一個處於球形的物質分布中心的觀察者來說，在所有方向上，物體看起來都是一樣的，但是這樣的分布不一定是均勻的。然而，許多宇宙學家仍然樂於相信，宇宙在某種尺度上確實是均勻的，無論這種均勻性目前有沒有被測量到——因為根據非經驗的哲學原理，均勻性邏輯上伴隨各向同性出現。

這就是眾所周知的哥白尼原理（Copernican principle）。哥白尼原理指出，並不存在特殊的觀察者（privileged observer），我們並不處於宇宙中的某個特殊地方——宇宙中心當然是一個非常特殊的地方。根據這一原理，不僅是從地球上人類的角度，從所有有利的角度來看，宇宙的任何角落都是各向同性的——為確保這一原理成立，宇宙也必須是均勻的。如果從每艘船上看到的風景是各向同性的，那麼一定沒有陸地讓事物看起來有所不同，所以在任何地點，大海一定是相同的。

圖片出自克卜勒於1617-1621年間發表的關於日心說的作品《哥白尼天文學概要》（Epitome Astronomiae Copernicanae），圖中的M代表拉丁文Mundus，是「世界」的意思，意在說明人類所在的地球不過是無數相似星體中的一個而已。圖片：Wikipedia

在宇宙學領域，哥白尼原理被如此徹底地接受，以至於許多科學家將其與宇宙學原理混淆，或者簡單地視之為一個給定的東西，甚至在教科書中也是如此。事實上，宇宙學原理可以被視為哥白尼原理的一個更普適的版本，因為在一個均勻和各向同性的宇宙中，不存在任何特殊的觀察者或特殊的地點。然而，宇宙學原理可以被明確檢驗，而哥白尼原理則是一種理念——它相信宇宙是怎樣的，而並不依賴經驗數據。顯然，哥白尼原理也是一個現代的觀念，因為在人類歷史的大部分時期，人們可是一直相信地球是萬物的中心。

哲學對於宇宙學的意義

這些觀點對於宇宙學的重要性，只是宇宙學通過哲學論證取得進展的一種方式。就像研究天體的天文學一樣，宇宙學只能通過觀察而非實驗來驗證其理論。因為我們不能拿整個宇宙來做實驗，就連在實驗室裡爆炸一顆恆星都不可能——即使可以在實驗室裡爆炸一顆恆星，人們也可能採取哲學立場說，我們不應該做這種實驗。但是，儘管天文學家在建造望遠鏡以觀測數百萬個星系、數十億顆恆星，宇宙卻只有一個（或者說，只有一個多重宇宙）。而且，我們地球上的人類被困在宇宙中一個特定位置，只能觀察到廣大卻有限的宇宙。這些限制意味著，對於宇宙學理論的創建和驗證，哲學選擇將永遠發揮作用。

我們的宇宙只是多重宇宙中的一個？| 圖片：Pixabay

除了方法問題，宇宙學的內容還觸及了關於存在本質的哲學問題。宇宙學以一種最根本的方式研究起源。宇宙是從大爆炸最初的奇點開始的嗎？時間也是由此開始嗎？（或者這個問題本身有意義嗎？）或者奇點（局部無限的點，比如黑洞）是否意味著我們的理論存在問題？或許我們應該更傾向循環宇宙模型（cyclical cosmology），在循環宇宙中，過去的宇宙死亡，然後發生大爆炸，產生新的宇宙。如果我們不可能重現早期宇宙的條件——如果早期宇宙高能量的狀態是我們所能夠建造的任何粒子加速器都無法企及的——那麼我們如何著手探索這些宇宙奧秘呢？

思考或回答這樣的問題並不一定是宇宙學家的工作，就像提出「萬物理論」不是科學哲學家的工作一樣。但是，如果宇宙學家更願意與他們研究哲學的夥伴合作的話，可能會受益良多。有如此多的科學家停滯在諸如波普爾（Karl Popper）可證偽性（falsification）這樣的理論中，粒子物理學家和宇宙學家又深陷關於多重宇宙人擇原理（anthropic principle）的泥潭，我們確實需要哲學的幫助。（強人擇原理認為，正是因為宇宙具有某些特性，例如基本自然常數以及宇宙年齡，才最終導致智慧生命的出現，如果宇宙不是調控得如此精確，人類便不會存在，更遑論觀察宇宙。弱人擇原理則認為，人類生存於多重宇宙中的一個，只有在那些有能力提供生命生存條件的宇宙中，才可能出現生命，人類作為觀察者之所以存在於這個時空位置，是因為這個位置提供了我們存在的可能。）

卡爾·波普爾批判經典的觀測-歸納法，他認為，人們只能依靠有限的實驗數據創建科學理論，因而並不能證明一條科學理論絕對正確無誤，科學理論都只是暫時的、尚未被證偽的假設。真偽具有不對稱性，真不能被證明，只有偽可以被證明。可證偽性原則是波普爾哲學思想的核心。圖片：Wikipedia

日見增多的哲學宇宙論倡議可能是一個信號，表明前景正在改善，儘管仍有討厭哲學的人。宇宙學原理的例子提醒我們，無論我們意識到與否，宇宙學都充滿了哲學選擇。

博科園-科學科普｜文：Bridget Falck/原理/principia1687

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