分类：教育/科学-理工学科-天文学
问题：天为什么是无边无尽的?我一直为这个问题头疼 
我一直为这个问题头疼
回答：宇宙是无限的吗？摘要：的谬误只有用哲学的方式才能最后清除，澄清概念和命题的含义是对传统哲学命题最有效的反思。本文认为，现代宇宙学对自己的对象即物理宇宙是比较清楚的，在研究物理宇宙时没有比自然科学更为优越的方法，物理宇宙的有限无限只能靠现代宇宙学去研究去下结论。以此为前提，本文对传统的宇宙无限论提出质疑，并指出，导致对宇宙无限论进行哲学辩护的重要原因是对现代宇宙学的不正确认识以及对有限无限的直观理解。本文最后分析了宇宙无限论的自然科学背景和现代诠释。本文提出对这个经典的同时又是公众心理顽固坚持的命题的质疑是基于如下两方面的事实：一方面，许多坚持这个观点的人对于什么是宇宙，什么是无限，宇宙的什么东西无限都不清楚，而另一方面，许多对现代宇宙学的对象、方法的不正确的看法，却又长期在哲学界流行。本文不是要回答宇宙究竟是有限还是无限的问题，而是要为回答这个问题作一些必要的准备工作，即澄清一些概念和命题的含义。先确立两个前提。1、现代宇宙学对自己的对象即物理宇宙是比较清楚的。世界上许多国家的百科全书对此提供了比较一致的看法，如中国：“宇宙学，天文学的一个分支。它从整体的角度来研究宇宙的结构和演化。”而“宇宙”则是“广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。”；如美国：“宇宙学是一个研究物理宇宙的整体结构的天文学分支。”；再如苏联：“宇宙学，天文学的一个分支，是一门把宇宙看作为一个全部的整体，以及宇宙中被天文观测的那部分就是上述总体的一部分的科学。”总之，宇宙学的对象是作为整体的物理宇宙的结构和演化，并且“物理宇宙”并不是指已被观测到的那些天体系统，而是指最大的物理时空及其包容的全部物理客体。这种思想甚至不再是宇宙学家个人的思想了，而且进入了教科书，如美国的英格利斯所著的《行星·恒星·星系》一书便明确的表达了这种思想：“我们定义的宇宙包罗了所有客观存在的物质，由于物质的数量和宇宙的大小难以估量，因此我们的讨论只能从目前所知的可观测宇宙的情况入手，根据对可观测宇宙的分析，天文学家便能创立关于整个宇宙的结构（宇宙论的研究）及其起源、演化以至未来（宇宙演化学的研究）的各种假说。”宇宙学作为一种自然科学，它对自己的对象物理宇宙是明确的，这种明确如同自然科学其他分支对它们对象的明确一样，是可以诉诸定律、公式及操作程序的，而这些东西正是科学之所以提供客观确实和明晰可靠的知识的基础。2、在研究物理宇宙时没有比自然科学更为优越的方法，物理宇宙的有限无限只能靠现代宇宙学去研究去下结论。这条原则至少在形式上已经取得了国内学术界的公认，因为在过去，哲学代替论既害了自然科学又害了哲学自己，这个教训人们并没有忘记。但是有些同志往往又忽视这一点，继续用哲学的方法来把握物理宇宙的有限无限。为了使这条原则得到确立，我将指出：（１）用任何方法来把握物理宇宙都必定自觉不自觉的、或多或少的运用自然科学理论，（２）如果它得出的结论与现代宇宙学不一致，那必定是因为它所使用的自然科学与现代宇宙学基本理论的不一致。试考察关于物理宇宙无限性的哲学论证，它们大都会用到１９世纪发现并确立的能量守恒定律，这里存在两个问题：（１）在有限时空的有限次科学实践中总结出的能量守恒定律，是否可以作为证明宇宙无限性的理论前提？因为证明者往往是反对把热力学第二定律运用到整个宇宙（这会导致宇宙热寂说），那么为什么热力学第二定律不能运用到整个宇宙而第一定律就能呢？当然对这个问题持一种绝对的经验主义的态度也是不对的，但是问题在于，现代宇宙学已经在研究能量守恒定律本身的宇宙学根源，使它在整个宇宙尺度上不再是一个基本的经验定律，在这种新的自然科学背景下，怎么能继续把它作为一个绝对正确的前提来论证宇宙的无限呢？（２）证明者往往把空间的无限理解成一种实体的无限，把时间的无限理解成一个过程，我们知道，作为实体的无限，其特征是加一点不多，减一点不少，那么，在空间上的无限宇宙如何保证物质和运动在量和质上的守恒呢？还有一种论证认为“根据有限和无限的辩证关系，只要承认了有限宇宙的存在，那就得同时承认在时空上对这个有限宇宙的超越。”这里也存在两个问题：（１）辩证法不是思维强加给自然的规律，思维中的联系不能直接外推成现实的物理的联系。恩格斯曾很幽默的说过：“如果我把鞋刷子综合在哺乳动物的统一体中，那它决不会因此就长出乳腺来。”正象不能由对立统一规律推出必然存在万有斥力和磁单极一样，有限在思维中向无限的转化，并不能成为物理宇宙无限性的证据，例如对于爱因斯坦的有限无界模型（作为现代宇宙学中一种可能的模型），在思维中虽然可以超越这种有限，但是有限宇宙之外却没有时空也没有物质客体，从而不能认为物理宇宙可以超越这种有限。（２）认为“在时空之上，有限宇宙被超越”，正是牛顿时空观的表现，似乎宇宙存在于时空之中，时空是为宇宙的不断超越提供的一个背景，这与现代宇宙学中的相对论精神是相违背的。现在，我将由这确立的两个前提提出质疑。从哲学上提出宇宙无限性的结论，那么这里的宇宙是不是物理宇宙？如果是物理宇宙，那么由上面前提２可知，在研究物理宇宙时没有比自然科学更为优越超乎其上的方法，物理宇宙的有限无限只能靠现代宇宙学去研究去下结论。但是现代宇宙学告诉我们，物理宇宙的有限无限至今未有定论，许多观测方面的原因使得这个问题很难一下子解决。那么，讲物理宇宙的无限性只不过是一种猜测，是一种可能，没有通常人们所赋与它的那种程度的确实性。如果不是物理宇宙，那么就会产生这样的问题，即上述意义上的宇宙（我们暂且称它为非物理宇宙）是否有结构、从而是否存在结构的有限无限问题？是否可以量化、从而是否存在量的有限无限问题？如果这两个问题都是否定的答案，那么我们可以考虑宇宙的什么东西的有限无限问题？并且其中的有限无限又是什么意思（是不是通常意义下结构的有限无限或量的有限无限）？上面的质疑我想是可以允许的并且是严密的，有人可能反对划分物理宇宙和非物理宇宙，但为了把问题弄清楚，这种划分是必要的，并且我并未对非物理宇宙作进一步的界说，只是强调它同物理宇宙是不一样的（这也不是否定它们之间的联系，假如有联系的话），这是为了把各种概念尽我们所能弄清楚，因为前提１中已经说明，相对于其他各种各样对宇宙时空的理解如艺术的、宗教的、心理的、社会的、经济的等等来说，物理宇宙是最清楚明白的。如果对以上质疑没有一个明确的回答，那么坚持宇宙的无限性结论没有任何认识上的意义。尽管在这里，因为对流行的宇宙无限论的含意不清楚我不能断定它正确与否，但我还是可以指出，导致它或伴随着它的一些观点是错误的或者至少是不恰当的。一、为了既调和现代宇宙学和传统哲学之间似乎存在的矛盾，又保持原有的宇宙无限论不变，有人提出，哲学上的宇宙是无限的全部的宇宙，自然科学的宇宙只是哲学上的宇宙的一部分，是有限的。为什么自然科学的宇宙就必然是有限的呢？他们说这是因为宇宙学所研究的总是“我们的”宇宙，而所谓“我们的”就是“人类已经观测到的”，如认为“实际上宇宙学所研究的只是人类在一定时代观测所及的最大天体系统，是无限宇宙的一部分。”这样宇宙学的对象就自然是有限的了。我想这正是对现代宇宙学的一种不正确的认识。首先它抹煞了现代宇宙学与以往的宇宙学的区别。如果说过去有宇宙学的话，那它主要是以哲学思辨猜测的宇宙论和对宇宙进行天文观测研究的天文学两种形式出现，后者作为一种广义的宇宙学（研究宇宙天体），其对象的确是“一定时代观测所及的最大天体系统”，然而，现代宇宙学与以往“宇宙学”区别就在于：（１）不是用思辨猜测的方法，而是用奠定在成熟物理学之上的理论与实验观测相结合的科学方法，（２）不是局限于已经观测到的部分（那不是宇宙学，而是狭义天体物理学和天体演化学），而是力图从对宇宙的局部观测中把握宇宙整体的性质。其次它忽视了现代天文“观测”的丰富性和复杂性。现代天文观测尤其是对大尺度天文现象的观测总是渗透着理论的，观测到的只可能是天体系统的性质而不可能是天体系统本身，而由观测到的性质决定天体系统时就需要理论，但理论所覆盖的区域总是整个宇宙，所以有些性质如微波背景辐射实际上就是整个宇宙的性质。这样就要求人们不能把“观测到的”与整个宇宙截然分开。再次，它实际上是对自然科学持一种狭隘的经验论立场。科学史一再说明，把科学的对象限定在人类已经经验过考察过的地方，那么任何科学都是不可能发生的。突破经验不是要在经验之外凭空构想，而是在有经验基础的理论的指引下进行探索，这也是科学的宇宙学与哲学的宇宙论的区别。明确了以上的问题就不难理解为什么在现代宇宙学那里宇宙可能是有限的也可能是无限的，关于它的对象，我想应该这么说，宇宙学所研究的是人类在一定时代观测直接和间接所及的最大天体系统以及用物理理论把握的宇宙作为整体的性质。我还是同意宇宙学是研究“我们的”宇宙的看法，但是“我们的”不应作“已观测的”解，而应理解成“人类原则上可以认识的”。这样可以很明确的区分宇宙唯一论者和宇宙多样论者：很显然，凡关于世界的可知论都必定是这种意义的宇宙唯一论者，只有不可知论者才可能是宇宙多样论者。如此看来，马克思主义哲学与现代宇宙学在这种意义上是一致的，都承认宇宙的可知性和宇宙的唯一性，而把宇宙唯一论和多样论同宇宙有限论和无限论分别对应起来是不对的。现在我们再来分析，既然自然科学的宇宙并不必然是有限的，而是整个物理宇宙，那么作为包含自然科学宇宙的哲学上的宇宙又是什么意思。我感到，在哲学界流行的这种观点是说，宇宙在时空上是无限的，而宇宙学只研究这个无限时空中有限的一部分，其他部分由于“我们的”科学还达不到，所以只有靠哲学去研究，因为“哲学从某种意义上说比自然科学高明”。从以上的讨论可以看出，如果是在这种意义上讲“宇宙学的宇宙只是哲学宇宙的一部分”，那是完全错误的。虽然，如果把哲学上的宇宙看成既包括物理宇宙又包括所有的心理宇宙（广义的讲有思维、情感、意志以及人类的文化现象），那么上述的说法还是可以成立的。但这里的问题是：（１）如何理解“无限”？因为精神现象很难在时空中定位，那么这里“无限”就不能是时空的无限，精神现象也不能量化和具有统一的结构（物理客体具有时空上的统一结构），因此无法理解这里的“无限”，（２）物理宇宙和心理宇宙可否作为一个统一体加以把握？很显然，心理宇宙观本身就是心理宇宙的一个部分，而物理宇宙却没有这个特征，这种最深刻的差别让我们怀疑是否存在作为物理宇宙和心理宇宙之和的哲学上的宇宙。二、人们认为物理宇宙应该是无限的，还和对有限无限的直观理解有关系。有限无限的基本含义是结构的不可超越和可超越以及量的有穷和无穷，我们往往称前者为有界无界，后者为有限无限，因为这样比较直观。当数学和物理学还未显示出这两者之间的差异时，人们是将它们混为一谈的，并且不会出现什么问题。但是现在，这种差异已经比较明显了，这反映在两方面：（１）对一个实体来说，结构的无界并不意味着量的无限，如一个球面，它的面是无界的，但面积却是有限的；（２）对一个过程来说，结构的无界有界同量的有限无限之间几乎没有对应关系，如对于无穷序列｛｝，它的序列无界而项值是有限的，只有无穷序列｛｝它的序列无界项值也无限。这还提醒我们注意，在讲某个对象的有限无限时，一定要指明它的什么东西有限无限，例如数学上就存在这样的情况，一个无限长度的曲线所围成的面积可以不大于一个有限半径的圆面积，即它的面积是有限的，但周长是无限的。物理宇宙的确应该是无界的，但是，究竟是有限的无界还是无限的无界，这还需要现代宇宙学进一步加以研究。我以上讨论的都是结构的和量的有限无限问题，但如果对象没有结构特征和量的特征，那么是否还存在有限无限问题呢？如果存在那又是什么意义上的有限无限？假如宇宙早期是一片浑沌的话，那么说它有限无限是什么意思？对于艺术家眼里的宇宙，说它诗意无限又是什么意思？这都需要弄清楚。三、导致人们坚信“哲学研究全部的物理宇宙，科学研究部分的物理宇宙”的一个很重要的因素是，他们不认为宇宙学可以研究作为整体的整个物理宇宙（universe as integral whole）尽管他们大多都承认现代宇宙学是科学，不是伪科学，但只是在形式上承认，实质上不认为科学的宇宙学是可能的，这表现在：（１）否认现代宇宙学以整个物理宇宙为对象，如“西方宇宙学却主张以‘整个宇宙’为对象，这又怎么能实现呢？”这就好象我承认场论是自然科学，但不承认物理场是场论的对象一样莫名其妙；（２）不承认有什么宇宙的统一物理特征，在他们看来宇宙是无限的丰富多样，怎么会有统一特征；（３）不承认模型方法可以把握整个宇宙的物理几何特征，在他们看来，能纳入模型的总是有限的，无限宇宙怎么可以靠模型来把握呢？这样在实质上完全抽掉了现代宇宙学赖以生存的基础。作为科学的宇宙学的可能性是建立在如下三点之上的：（１）宇宙必须表现出可观测的整体特征，（２）宇宙各部分之间必须存在物理上的联系机制，（３）在地球这个局部所发现的自然规律可以适当的外推到整个宇宙。大尺度红移现象的发现为第一点提供了观测证据，引力理论的发展特别是广义相对论的出现为第二点提供了物理理论根据，第三点无法得到证据，对这个问题（也是一切自然科学面临的问题），科学家都持有一种经验主义的谨慎态度，科学史一再不顾怀疑论的警告才有了科学的发展。正是这三点都有一种科学上能容忍的答案，现代宇宙学才敢于把宇宙作为一个整体来进行科学的考察。至于观测证据的缺点和不可靠、物理理论的不完善，那正是因为现代宇宙学是一门新兴学科的缘故。四、马克思主义经典作家为什么要坚持宇宙的无限性观点，我认为原因是：经典作家为了防止任何的唯心主义神创论在自已的体系里出现，在当时的科学史背景下，必然要坚持宇宙物质性和无限性的统一：（１）从时间上讲，不能有起源，否则就会出现第一推动，（２）从空间上讲，不能有限，否则有限之外的地方就为上帝留出了居住的场所。自然科学发展到今天，已经完全改变了过去的那种自然科学背景。物理学家在开始建立物理的第一推动理论，从而变一个神学命题为一个科学命题，把上帝从它的可能显身之地都给驱逐了。有限空间之外的问题也得到了自然科学的解决（一种尝试）。因为我们知道度规无限未必就是实际上的无限，所以即使宇宙是无限的，也不能避免“之外”的存在，怎么办呢？现代有许多物理学家把“宇宙之外是无”作为物理边界条件确定下来，赋与“无”以物理意义，这样不管得出的宇宙模型是有限还是无限，都为扫除神学的地盘提供了自然科学的证据。现代宇宙学一个非常重要的原则就是：“必须用自然来说明自然，不能求诸于非自然或超自然之物”，“不是基于信仰来讨论宇宙创生的”，这同经典作家的本来意思和要坚持的原则是完全一致的。正由于此，只有科学才可能最后战胜宗教神学，只有现代科学才能最好的维护马克思主义哲学的唯物主义性质，任何对“宇宙无限性”的盲目信仰，都是宗教精神的残余表现，都是违反经典作家的本来意思的。把握宇宙从来是令人神往的，人类在回答宇宙的有限无限问题时对宇宙的本质总有更深入的理解，这种理解不应僵化成教条以致窒息任何更新的思考。如果这种教条是存在的，那么澄清概念和命题是打破教条的好方法，最新自然科学总是为澄清问题提供条