宇宙学（一）
有时，哲学推动着科学的发展。1932 年至 1948 年间的宇宙学提供了一个绝佳的例子，它展现了明确的哲学思考如何在现代科学发展的关键时期引领了其演变。本文将详细阐述宇宙学思想的这些哲学层面，首先简要概述广义相对论宇宙学直至 1932 年的历史发展。随后，本文将介绍这场哲学争论的历史参与者，以及他们各自立场的基本思想。然后，通过直接聚焦参与的科学家和哲学家的论点，深入探讨了这场争论的关键阶段——1935-1937年。最后，我们将在波普尔科学哲学发展的背景中，探讨这场哲学争论的最终阶段，即宇宙稳态理论的出现。
1. 引言
2. 辩论前瞻
2.1 爱因斯坦的广义相对论
2.2 哈勃的膨胀宇宙
3. 宇宙学及其哲学
3.1 相对论宇宙学：主流哲学
3.2 米尔恩的哲学挑战
3.3 运动相对论——一种另类宇宙学
4. 宇宙学大辩论开始：1933-1934
4.1 丁格尔的首次攻击
4.2 两种反对米尔恩观点的方式
4.3 米尔恩的哲学改进
4.4 一个重要的哲学问题：是什么让一个科学理论“好”？
4.5 如何在理论和哲学之间做出选择？
5. 米尔恩方法的胜利：1935-1936
5.1 麦克雷沃克和罗伯逊采用了米尔恩的方法
5.2 但爱丁顿却嗤之以鼻……
6. 丁格尔的结局
6.1 现代亚里士多德？
6.2 丁格尔作为“忠实信徒”
6.3 从一开始就错了
6.4 辩论公开化
6.5 反击
6.6 最冷静的声音
7. 暴风雨间的宁静
7.1 两位势均力敌的竞争对手
7.2 理论的起源与演化
7.3 米尔恩的终极成功
8. 稳态宇宙学
8.1 邦迪的哲学渊源
8.2 波普尔登场
8.3 但最终还是米尔恩
8.4 宇宙学原理的回归
8.5 波普尔式的结论
参考文献
学术工具
其他网络资源
相关文章
1. 引言
20世纪30年代至40年代，宇宙学家们爆发了本世纪最激烈的哲学辩论之一。在1936-1937年这场争论达到顶峰之际，英国许多杰出的科学家以及几位杰出的科学哲学家都公开参与其中。他们的论证、攻击和反驳被记录在许多重要的科学期刊上，其中包括最重要的综合性科学期刊《自然》的特刊，该特刊专门刊登哲学论证和反驳。
方法论是这场争论的核心议题，尽管形而上学问题也随之出现，尤其是那些关于新的宇宙学理论和观测赋予宇宙的某些结构和力量的实际实在性的问题。但最终，方法论才是真正激励大多数参与者的动力。
归根结底，这场争论中只有两种对立的立场，每种立场都包含一个两点立场。一方是那些主要扎根于自然科学实验领域的科学家。对他们来说，科学只有一种合法的方法。他们认为，理论构建包含两个紧密相连的步骤。首先，从经验观察开始，即从测量、操作和实验开始，这些观察的结果对人类感官而言显而易见；这是经典的经验主义认识论。然后，观察结果会提出一些可能的假设，并通过进一步的经验检验进行检验。当收集到足够的与假设相关的数据后，就可以进行逻辑概括，从而产生理论；这是经典的归纳主义逻辑。
与这些归纳经验主义科学家相反的是那些主要扎根于自然科学理论领域，尤其是数学物理的科学家。对他们来说，还有另一种更合乎逻辑的理论构建方法。首先，假设可以以任何方式生成，尽管大多数人认为，基于非常普遍、非常合理的概念（例如，宇宙的物理过程具有简单的数学描述）来想象假设是最好的起点；这是经典的理性主义认识论。一旦假设生成，就可以使用严格的分析推理来预测观察结果；这是经典的演绎逻辑。持有这种观点的科学家被称为假设演绎主义者；他们关于假设生成和演绎预测的观点都遭到了归纳经验主义者的强烈反对。
这场争议的部分原因或许在于宇宙学是一门新科学，而关于新科学方法论的争论在科学史上并不少见。然而，这次的罕见之处在于这场哲学争论的激烈程度，有时甚至是激烈的。争议的另一个原因在于宇宙学是一门缺乏数据的科学：观测数据来之不易且罕见，它们往往需要经过复杂的理论处理和修正才能最终解释其意义。由于数据匮乏，科学家必须依靠哲学论证来支撑他们对科学研究应如何开展的观点。
这场辩论的最后一个特点必须引起注意。参与者几乎全部是科学家，而非哲学家。然而，这并不会对正在进行的哲学思考水平产生太大影响；这些科学家精通其哲学，并且能够娴熟地运用哲学武器和辩护。最终，他们的辩论将宇宙学塑造成了我们今天所知的科学。
简要回顾一下这场辩论之前的宇宙学历史将大有裨益。
2. 争论的导火索
自1700年以来，关于宇宙本质和结构的理论都源于牛顿理论，尤其是他的引力理论，该理论被用来解释天体及其系统的行为。牛顿理论假设了一种力——引力——作用于物体，这些物体在三维空间这个被动、惰性的“容器”内随时间自由运动。物体、路径以及空间本身都体现了欧几里得的经典几何学。所有这些特征都随着爱因斯坦广义相对论（1915-17）的发表而发生了改变。
2.1 爱因斯坦广义相对论
爱因斯坦的意图是让他的理论完全取代牛顿的引力理论。在爱因斯坦看来，引力并非独立于空间“容器”而存在的力；相反，引力是空间（和时间）曲率的产生，在新理论中，广义相对论必然与空间相关（这意味着几何、引力和天文行为都密切相关）。例如，在太阳附近，时空的几何结构（曲率）发生了根本性的变化，表现为彗星或卫星等轨道天体的速度不断增加。爱因斯坦理论的一个直接后果，对某些人来说也令人费解，就是宇宙的几何形状不再被认为是欧几里得几何。尽管对于实际的空间几何形状存在几种不同的候选方案，但尚不清楚哪种是正确的。
起初，人们并没有认识到广义相对论可以应用于宇宙作为一个单一、整体、独立的对象，从而产生一个与其前身完全不同的新宇宙学理论。尽管其中涉及的数学计算极其复杂，但在1917年短短时间内，爱因斯坦本人和荷兰天文学家威廉·德西特分别提出了两种解决方案。不幸的是，这两种解决方案预测的宇宙都过于极端：爱因斯坦的宇宙充满物质，而德西特的宇宙则基本空无一物。
显然，天文学家观测到的宇宙与这两种解决方案的描述完全不符，这一事实令许多人感到不安。此外，没有其他解决方案出现（尽管弗里德曼和勒梅特都提出了其他解决方案，但它们仍然不为人知，无人关注）。近十二年来，这套新的宇宙学似乎毫无进展。后来，哈勃在加州帕洛玛山公布了他观测到的宇宙多普勒频移的惊人结果。来自最遥远恒星系统的光线颜色向红移。
2.2 哈勃膨胀宇宙
大多数宇宙学家——除了哈勃本人这个有趣的例外——立即得出结论，红移只能意味着宇宙正在膨胀。相对论理论家们很快就能将膨胀解释为时空几何结构的连续变化，而广义相对论对此进行了彻底的解释。在经历了十多年在两种宇宙模型之间难以抉择的停滞之后，哈勃的观测促使理论家们构建了一系列新的模型，每个模型都相互竞争。
最终，比利时天文学家乔治·勒梅特的膨胀三阶段宇宙理论被广泛接受。 1931年10月31日，在英国科学促进会的一次特别会议结束时，德西特公开宣布勒梅特的模型是恰当的，并且总体上是正确的。现代科学宇宙学正式诞生；由于它诞生于爱因斯坦相对论的背景下，这门新宇宙学迅速被广泛地称为相对论宇宙学。这种宇宙学最著名的模型是一个气球被吹大，气球上画着代表星系的点。随着时间的推移，模型球形空间（气球）的半径增加，从而减小了空间（气球外壳）的曲率，并增加了点之间的距离。
尽管宇宙学家来自欧洲、美国和英国，但理论宇宙学的大部分工作是在伦敦、剑桥和牛津进行的。美国人哈勃，托尔曼和罗伯逊在帕萨迪纳的加州理工学院工作，但经常在英国；大多数欧洲和英国的研究人员都曾在帕萨迪纳工作过。来自荷兰的德西特和来自比利时的勒梅特尔，以及许多德国研究人员，都在英国度过了重要的时期。因此，尽管宇宙学研究遍布整个西方世界，但其主要集中地是英国；我们接下来的重点也将如此。
3. 宇宙学及其哲学
由于相对论宇宙学与以往的宇宙科学思维截然不同，它需要阐明其哲学基础，尤其是在方法论方面。“这门新科学该如何开展？”因此成为一个引人注目的问题。但方法论当然总是与形而上学和认识论联系在一起。显然，需要进行一场全面的哲学探讨。这一切来得很快：在不到一年的时间里，两个哲学上对立的阵营之间展开了一场激烈的争论。这场争论花了近二十年的时间才最终尘埃落定。但随着争论的结束，宇宙学在共识形而上学和认识论的背景下，从哲学上证明了其方法论。然而，在深入探讨争论的细节之前，应该注意几个要点。让我们来回顾一下争论的起源。
3.1 相对论宇宙学：多数派哲学
首先，包括爱丁顿、德西特、罗伯逊、托尔曼及其同事在内的大多数科学家的宇宙学思想，暴露出了一种相对未经检验的、他们持有看似毫无争议的哲学观点：在形而上学方面，他们持有一种温和的解释实在论——如果一个公认的理论指的是实体x，那么x就可以被接受为一个真正物理上真实的对象；与这种形而上学立场相结合的是一种展现经典归纳经验主义的方法论——科学知识是由基于个体经验观察而建立起来的概括构成的。但这一系列观点并非长期不受挑战。1932年7月初，就在相对论宇宙学在英国协会会议上成为共识的九个月后，牛津天体物理学家E. A.米尔恩在《自然》杂志上发表了一篇短文，直接抨击了当时的哲学信条，提议用一系列新的观点取而代之，这些新的观点与它声称要支撑的新科学一样激进。
3.2 米尔恩的哲学挑战
米尔恩的形而上学观点基于实证主义，尤其是操作主义：只有那些属性能够通过某种观察程序或操作直接揭示的对象，才算作实在。因此，对米尔恩而言，实在并不包含相对论宇宙学中常见的指称，例如“弯曲空间”、“膨胀空间”，甚至“四维时空”，仅仅是因为这些实体都无法操作。米尔恩认为“所见即所得”；由于各种几何形状的“弯曲空间”无法被观测到，因此空间就是它看起来的样子——欧几里得空间。同样，宇宙的膨胀是真正的膨胀——每个星系都在相互远离——而不仅仅是曲率几何形状的变化，就像相对论者所认为的那样。此外，与相对论宇宙学的归纳经验主义不同，米尔恩选择了一种假设演绎的理性主义。米尔恩认为，宇宙学家必然会构想出所有可能的宇宙模型，然后推断出他们的假设可能带来的可观察结果。假设可以基于任何事物，尽管米尔恩认为，源于对宇宙秩序和规律性的美学信念的某些非常普遍的理性原则将是最有成效的。他的“宇宙学原理”，即宇宙中的每一位宇宙学家都应该注视着同一个宇宙，就是这种思维方式的典型例子。后来，邦迪基于米尔恩原理的更普遍版本，创立了稳态宇宙学，他称之为“完美宇宙学原理”。
3.3 运动相对论——一种另类宇宙学
米尔恩的宇宙学哲学源于一个与之密切相关的宇宙学模型——运动相对论。之所以称之为运动相对论，是因为它与爱因斯坦狭义相对论中的运动学紧密相关。在爱因斯坦狭义相对论中，运动学尤其关注观察者试图测量系统中物体相对于自身运动的行为。根据米尔恩的理解，这些测量只能通过观察者之间使用光或其他电磁辐射相互发送信号，并使用时钟对信号进行计时来实现。最终，所有测量——甚至空间和速度——都简化为对信号从一个观察者传递到另一个观察者时的信号进行计时。这种测量理念是对先前思想的革命性简化，仅凭这一点就具有哲学意义。这也带来了实际后果。正如邦迪后来所说，“米尔恩的想法直接导致了雷达测速枪的发明！”
米尔恩的运动相对论及其背后的哲学思想立即引发了严格的审视，更不用说争议了。
4. 宇宙学大辩论开始：1933-1934
爱丁顿是第一个攻击米尔恩观点的人。在1932年末于哈佛大学发表的一系列讲座中，爱丁顿否定了操作主义和假设演绎主义的有效性，并于新年伊始出版了《膨胀的宇宙》。他不仅捍卫了解释实在论，还英勇地强化了他的本体论立场：相对论宇宙学的理论实体不仅是合理的，而且对于理解宇宙至关重要，如果没有它们，宇宙学知识就不可能存在（爱丁顿，1933，第19页）。
4.1 丁格尔的首次攻击
很少有人能像爱丁顿那样，在本体论上展现出英雄主义；然而，在反对米尔恩的斗争中，认识论和方法论上的英雄主义却并不少见。在对米尔恩的攻击中，赫伯特·丁格尔是主要英雄，他是一位备受尊敬的天体物理学家，时任皇家天文学会秘书长。丁格尔的首次尝试是对米尔恩首次详细阐述运动相对论（Milne，1933）的回应。丁格尔声称，虽然运动相对论在数学形式或可观察结果方面与相对论宇宙学并无显著差异，但他同时指出，另一方面，它招致了特别的批评，因为它放弃了“科学方法的基本原理”，即“牛顿的现象归纳原理”（Dingle，1933，第178页）。丁格尔对米尔恩的假设演绎主义的攻击从未停止，始终拒绝将该方法论视为真正科学接受的候选方法。
丁格尔的文章与重要的美国宇宙学家H. P. 罗伯逊（Robertson 1933a）对运动相对论的评价接踵而至。罗伯逊也关注米尔恩的假设演绎主义，指出运动相对论中的宇宙学原理在相对论宇宙学中的地位，与其说是经验概括，不如说是先验规则。除此之外，罗伯逊对米尔恩的理论并不特别感兴趣，他只是指出，在可以比较的地方，运动相对论和相对论宇宙学在物理内容上似乎相似。正如我们即将看到的，罗伯逊后期的研究强烈地反驳了早期对米尔恩理论的漠视。
4.2 两种反对米尔恩的观点
从一开始，宇宙学家们就对米尔恩理论的物理内容及其背后的哲学观点存在分歧。丁格尔不喜欢米尔恩的方法，但觉得该理论本身也没什么意思。罗伯逊最初同意丁格尔的观点，但很快便发生了重大转变。爱丁顿既不喜欢米尔恩的理论，也不喜欢其背后的哲学，他认为它们与典型的相对论宇宙学及其主流哲学相去甚远。年轻的宇宙学家，例如分别师从爱丁顿和惠特克的麦克维蒂和麦克雷，很快也加入了争论。麦克维蒂最初发现运动相对论的物理学非常有趣，而且与相对论宇宙学的物理学截然不同（McVittie 1933b）。但米尔恩的哲学却截然不同；麦克维蒂早先揭示的严格经验主义（McVittie 1933a）使他对米尔恩的理性主义和假设演绎主义同样不满。
麦克雷的评论是最敏锐且最受赞赏的评论之一（Kermack and McCrea 1933）。虽然麦克雷认为米尔恩对弯曲和膨胀空间的操作主义批评无关紧要，但他却是第一个注意到米尔恩对宇宙膨胀起源问题的严格运动学解的简洁性和优雅性的人。由于对这种解的探索困扰了相对论宇宙学多年（McVittie 1931），麦克雷建议米尔恩的机制应该立即被证明是相对论宇宙学的一部分（Kermack and McCrea 1933，第529页）。
显然，关于相对论宇宙学及其哲学的近期共识，已因米尔恩及其方法论而陷入混乱和争议。
4.3 米尔恩的哲学改进
在接下来的一年左右时间里，米尔恩竭尽全力阐明运动相对论的物理学及其哲学，并一如既往地从哲学入手。10月，米尔恩在哲学协会发表演讲，不仅清晰详细地分析了他的哲学观点，还对其历史进行了阐述，他声称这些观点可以追溯到洛克和休谟（Milne 1934a）。他对两种对立方法——归纳经验主义与假设演绎主义——的描述非常清晰且实用：
严格来说，物理学没有哲学。它有方法……现在理论物理学的方法似乎可以归结为两种，从概念开始的方法和从观察到的事物开始的方法。…当一个主题从概念发展而来时，这些概念就如同几何公理中的术语……这些概念是无法定义的，除非它们受制于它们所属的命题。
米尔恩对公理化的坚持在此尤为突出。这源于他早年对怀特海和罗素（Crowther 1970）著作的钦佩；一旦米尔恩开创了宇宙学公理化的理念，它就成为包括罗伯逊和沃克在内的许多人著作的持久标志。
此次演讲三周后，米尔恩在皇家天文学会月会上就相关主题发表了演讲。他的主要观点是，不同理论之间的区别仅在于它们的概念能否通过从中推导出的观测结果得到体现。爱丁顿强烈反对米尔恩的论点，并回应称，运动相对论和相对论宇宙学在本体论上的差异，远大于其结果论上的差异。爱丁顿尤其关注的是每种理论赋予世界的时空几何的差异。对爱丁顿和他的同事来说，引力与时空几何的等价性是真实存在的，是物理世界的特征，就像太阳、月亮和星星一样真实存在。
4.4 一个重要的哲学问题：是什么让一个科学理论“好”？
米尔恩对此不以为然。在下个月出版的《天文台》（皇家天文学会的非正式月刊）中，他批评了爱丁顿和他的理论实在论同事，并得出结论：“理论之间的差异仅仅在于它们对现象的预测不同”；最重要的是，“这种比较方法避免了所有对距离分配、世界几何、米尔恩认为，宇宙学应该避免形而上学；空间、时空、几何等等都应被视为科学现实，而应以单纯的观测结果为准绳。米尔恩认为，唯一的现实是观察者能够报告的光信号和时钟。
1934年，米尔恩与他的新学生A.G.沃克一起工作。沃克从未对运动相对论的哲学层面表现出浓厚兴趣，而是专注于研究该理论本身的物理细节。他立即取得了成功（沃克，1934）。他的一个重要结论是，其他作者，特别是麦克维蒂和罗伯逊，错误地认为米尔恩理论的物理学最终对应于相对论宇宙学：“米尔恩的体系与广义相对论的体系有着根本的不同”（沃克，1934）第489页；原文着重）。
4.5 如何在理论和哲学之间做出选择？
在一篇关于运动相对论和相对论宇宙学之间混乱局面的重要评论中，麦克维蒂承认：“实验上似乎无法区分它们……目前的选择几乎完全取决于个人喜好”（McVittie 1934，第29页）。几乎与此同时，德西特以严肃的方式挑战了米尔恩（de Sitter 1934）。为了回应米尔恩的方法论挑战，他表明，确实有可能以公理化的方式表述相对论宇宙学，就像米尔恩“从概念出发”表述运动相对论一样。但德西特明确拒绝了米尔恩对宇宙学原理的哲学运用，“这断言从统计学上来说，两个不同观察者的世界图像必然相同。”他的反对意见基于一个事实：“然而，我们没有任何手段与位于遥远恒星上或以极高速度运动的其他观察者进行交流”（de Sitter 1934，第598页）。理性原则作为假设，就到此为止吧！
宇宙学的这一年几乎和开始时一样混乱，只有一点例外：米尔恩对他的哲学观点更加清晰，并将它们应用于对他的宇宙学、理论和哲学的详尽阐述。他的著作《相对论、引力和世界结构》（Milne 1935）将在几个月后出版。
