（科学技术哲学专业论文）宇宙学与宇宙“数字”的哲学研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无论是在西方还是在东方，对于宇宙的研究与讨论都是哲学的主要内容。 近代以来，随着科学技术的不断飞速发展，宇宙起源问题、宇宙与人的关系问 题更是成为哲学首先要讨论的问题。建立在大量的天文观测资料和现代物理学 的基础之上的现代宇宙学，包括两个密切联系的方面，即对宇宙大尺度的观测 和研究宇宙的运动学和动力学并建立宇宙模型。在建立宇宙模型的过程中，现 代物理学作为基础在宇宙学的发展上扮演了核心的角色，它是宇宙模型建立的 理论基础。 本文从现代物理学的几个重要常数入手，以分析物理常数与宇宙之间的科 学关系为基础，阐述和论证了宇宙产生与发展的过程，并根据现代宇宙学的研 究方法、过程和结果，从哲学层面对其进行了思考，主要体现在以下几个方面： 1 ) 通过近现代对于宇宙学研究方法特点的总结和反思，从方法论的层面详 细的分析了倒追研究方法在宇宙学研究中的应用，与其他科学研究方法的区别， 以及与其他科学研究方法相较所拥有的优势和存在的缺陷。 2 ) 以宇宙是生成的结论为基础，系统地论述了人与宇宙之间互相选择的关 系，阐述了从人择原理扩展而来的宇观人天观这一人的宇宙理论，并由此引申 论述“以人为本”的概念和意义在于人是大自然的主体，因为有了入，才能有对宇 宙、对自然界的认识，才能有人与自然界的相互作用和谐发展。从一个新的角 度论述了人类中心主义的思想。 3 ) 从不仅宇宙是创生的而非构成的，而且组成宇宙万物的粒子也是生成的 这一结论，系统的分析了生成论自然观与构成论自然观的不同，从认识论的角 度论证了宇宙不能用构成论去理解，而只能由生成论去理解。因为生成论在认 识论上主张在复杂性的系统中由若干要素在特定条件下所形成的整体，是系统 由一种平衡到另一种平衡的突现或跃迁，它既承认整体和部分的各自独立地位， 又指出它们之间不可分割的内在联系。 4 ) 从系统观的层面阐述了人和宇宙之间既具有普通的系统联系的特点，同 时具有其特殊性，具有其它各种关系所不具有的新特点，即跨层次性和方向性。 人与宇宙的相关不仅是同一个时空层次中存在，也不仅限于人与宇宙的整体相 武汉理工大学硕士学位论文 关。它同时也包括人同我们的宇宙的不同层次、不同规模的组成元素的关联。 它的方向性表明，随着宇宙的演化，系统从整体状态演变为各个元素的独立状 态，由原始统一逐渐分裂为彼此独立的因果链，从而表现出一种渐进分异特点 的方向。 最后以本文人与宇宙的关系为基础，从多角度探讨了宇宙自身、人与宇宙、 人与社会之间和谐以及这三种和谐相互之间的关系，从另一个的视角分析宇宙 和谐这一概念的更深层次涵义。 本文采取的方法是阅读大量相关方面的书籍，收集与课题有关的资料，进 行分析、归纳，综合材料提供的知识背景与素材，纵向上无论时间的先后，包 括历史上已有的和最新的研究成果，横向上结合各门各派理论、观点，并在此 基础上形成了本文探讨问题的视角，观点和论据。 关键字：物理常数，人类中心主义，整体宇宙观，和谐宇宙 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e g a r d l e s so fi nt h ew e s to ri nt h ee a s t , i ta l li st h ep h i l o s o p h yp r i m a r y c o v e r a g et o w a r dt h eu n i v e r s er e s e a r c ha n dt h ed i s c u s s i o n s i n c et h em o d e r nt i m e s ， a l o n gw i t ht h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yh a v er a p i d l yd e v e l o p e du n c e a s i n g l y , t h e u n i v e r s eo r i g i nq u e s t i o n , t h eu n i v e r s ea n dh u m a n 。sr e l a t i o n a lq u e s t i o nb e c o m e st h e q u e s t i o n w h i c ht h ep h i l o s o p h yf i r s tn e e d st od i s c u s s t h ee s t a b l i s h m e n ti nt h e m a s s i v ea s t r o n o m i c a lo b s e r v a t i o nm a t e r i a la n da b o v et h em o d e r np h y s i c sf o u n d a t i o n m o d e m c o s m o l o g y , i n c l u d i n gt w oc l o s er e l a t i o na s p e c t s ，n a m e l ya n de s t a b l i s h e st h e u n i v e r s em o d e lt ot h eu n i v e r s eg r e a tc r i t e r i o no b s e r v a t i o na n dt h er e s e a r c hu n i v e r s e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s i nt h ee s t a b l i s h m e n tu n i v e r s em o d e lp r o c e s s ，t h em o d e m p h y s i c sa st h eb a s eh a sa c t e dt h ec o r er o l ei nt h ec o s m o l o g yd e v e l o p m e n t , i ti st h e u n i v e r s em o d e le s t a b l i s h m e n tr a t i o n a l e t l l i s a r t i c l ef r o mm o d e r np h y s i c ss e v e r a li m p o r t a n tc o n s t a n to b t a i n i n g , t a k e a n a l y z e sb e t w e e nt h ep h y s i c a lc o n s t a n t sa n dt h eu n i v e r s es c i e n c er e l a t i o n sa sa f o u n d a t i o n , e l a b o r a t e da n dp r o v e dt h eu n i v e r s et op r o d u c ew i t ht h ed e v e l o p m e n t p r o c e s s ，a n da c c o r d i n gt ot h em o d e r nc o s m o l o g yr e s e a r c ht e c h n i q u e ，t h ep r o c e s sa n d t h er e s u l t , h a sc a r r i e do nt h ep o n d e rf r o mt h ep h i l o s o p h ys t r a t i f i c a t i o ns t a g e ，m a i n l y m a n i f e s t e di nf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 ) t h r o u g ht h en e a rm o d e ma g er e g a r d i n gt h ec o s m o l o g yr e s e a r c ht e c h n i q u e c h a r a c t e r i s t i cs u m m a r ya n dr e c o n s i d e r i n g , h a sp u r s u e dt h er e s e a r c ht e c h n i q u eb u t a c t u a l l yf r o mt h em e t h o d o l o g ys t r a t i f i c a t i o np l a n ed e t a i l e da n a l y s i si nt h ec o s m o l o g y r e s e a r c ha p p l i c a t i o n , d i f f e r e n c ew i t ho t h e rs c i e n t i f i cr e s e a r c hm e t h o d , a sw e l la s c o m p a r e sw h i c hh a st h es u p e r i o r i t ya n dt h ee x i s t e n c ef l a ww i t ho t h e rs c i e n t i f i c r e s e a r c hm e t h o d 2 ) a st h eu n i v e r s ew a st h ep r o d u c t i o nc o n c l u s i o na st h ef o u n d a t i o n , b e t w e e nt h e s y s t e me l a b o r a t i o nt h er e l a t i o n sw h i c hp e r s o na n dt h eu n i v e r s ec h o s em u t u a l l y , e l a b o r a t e de x p a n d e dt h es p a c ev i e wp e r s o nd a yv i e wt h i sh u m a no fu n i v e r s et h e o r y f r o mt h ea n t h r o p i cp r i n c i p l ew h i c hc a m e ，f r o mt h i sa n de x t e n d e dt h ee l a b o r a t i o n ；t h e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o n c e p t h u m a n i t yo r i e n t e d a n dt h es i g n i f i c a n c el a yi nt h eh u m a na l et h en a t u r e m a i nb o d i e s ，b e c a u s eh a dt h eh u m a n , c o u l dh a v et ot h eu n i v e r s e ，t ot h en a t u r e u n d e r s t a n d i n g , c o u l ds o m eh u m a no ft h en a t u r em u t u a l f u n c t i o nh a r m o n i o u s d e v e l o p m e n t e l a b o r a t e dt h eh u m a nc e n t e rp r i n c i p l et h o u g h tf r o man e wa n g l e 3 ) c r e a t e st h en o n - c o n s t i t u t i o n 舶s hn o to n l yb u tf t o mt h eu n i v e r s e ，m o r 戗) v e r t h ec o m p o s i t i o nc o s m i ci n v e n t o r yg r a n u l ew a sa l s op r o d l l c t i o nt h i sc o n c l u s i o n , t h e s y s t e ma n a l y s i sp r o d u c t i o nh a sd i s c u s s e dt h en a t u r a lv i e wa n dt h ec o n s t i t u t i o n d i s c u s s e st h en a t u r a lv i e wt h ed i f f e r e n c e ，p r o v e dt h eu n i v e r s ef r o mt h ee p i s t e r n o l o g y a n g l en o tt ob ea b l et ou s et h ec o n s t i t u t i o nt od i s c u s su n d e r s t o o d ，b u to n l yc o u l d d i s c u s s b y t h e p r o d u c t i o n u n d e r s t o o d b e c a u s e p r o d u c e s d i s c u s s e si nt h e e p i s t e m o l o g ya d v o c a t e di nt h ec o m p l e xs y s t e mb yc e r t a i ne s s e n t i a lf a c t o r st h ew h o l e w h i c hf o r m su n d e rt h es p e c i f i cc o n d i t i o n , i st h es y s t e mb a l a n c e sf r o mo n ek i n dt o a n o t h e rk i n db a l a n c e da p p e a r ss u d d e n l yo rt h ej u m p i tb o m a c k n o w l e d g m e n tw h o l e a n dp a r tr e s p e c t i v e l yi n d e p e n d e n ts t a t u s ，a n dp o i n t so u tb e t w e e nt h e mt h ei n a l i e n a b l e i n n e rc o n n e c t i o n 4 ) e l a b o r a t e df r o mt h es y s t e mv i e ws t r a t i f i c a t i o np l a n eb e t w e e nt h eh u m a na n d t h eu n i v e r s ea l r e a d yh a st h eo r d i n a r ys y s t e mr e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，s i m u l t a n e o u s l y h a si t sp a r t i c u l a r i t y , h a sn e wc h a r a c t e r i s t i cw h i c ho t h e re a c hk i n do fr e l a t i o n sd on o t h a v e , n a m e l yc r o s sh i e r a r c h i c a la n dd i r e c t i v i t y n o to n l yt h eh u m a na n dt h eu n i v e r s e c o r r e l a t i o ni si nt h ei d e n t i c a ls p a c ea n dt i m el e v e le x i s t s ，n o to n l ya l s oi sr e s t r i c t e di n t h eh u m a na n dt h eu n i v e r s ew h o l ec o r r e l a t i o n i ts i m u l t a n e o u s l ya l s oi n c l u d e st h e h u m a n 州t l lo u r su n i v e r s ed i f f e r e n tl e v e l ，t h ed i f f e r e n ts c a l ec o m p o s i t i o ne l e m e n t c o n n e c t i o n i t sd i r e c t i v i t yi n d i c a t e dm a la l o n g 、历mt h eu n i v e r s ee v o l u t i o n , t h es y s t e m w o l v e sf r o mt h eo v e r a l lc o n d i t i o nf o re a c he l e m e n ti n d e p e n d e n tc o n d i t i o n , s p l i t s g r a d u a l l yb yt h ep r i m i t i v eu n i f i c a t i o ni n t oe a c ho t h e ri n d e p e n d e n tc a u s ea n de f f e c t c h a i mt h u sd i s p l a y so n el ( i n do fe v o l u t i o nd i f f e r e n t i a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h ed i r e c t i o n f i n a l l yt a k et h i sa r t i c l ep e r s o na n dt h eu n i v e r s er e l a t i o n sa st h ef o u n d a t i o n ，h a s d i s c u s s e dt h eu n i v e r s ef i o mt h em u l t i p l ep e r s p e c t i v e so w n , b e t w e e nt h eh u m a na n d t h eu n i v e r s e ，t h eh u m a na n dt h es o c i e t yh a r m o n ya sw e l la st h e s et h r e ek i n do f h a r m o n ym u t u a l l yb e t w e e nr e l a t i o n s ，f r o ma n o t h e ra n g l eo fv i e wa n a l y s i su n i v e r s e h a r m o n i o u st h i sc o n c e p td e e p e rl e v e li m p l i c a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 t h i sa r t i c l ea d o p t st h em e t h o di st h er e a d i n gm a s s i v ec o r r e l a t i o na s p e c tb o o k s ， t h ec o l l e c t i o na n dt h et o p i cr e l a t e dm a t e r i a l ，c a r r i e s0 1 1t h ea n a l y s i s ，t h ei n d u c t i o n , t h e c o m p r e h e n s i v em a t e r i a lp r o v i d e sk n o w l e d g eb a c k g r o u n da n ds o u l c om a t e r i a l ，o n l o n g i t u d i n a lr e g a r d l e s so ft h et i m ep r i o r i t y , h a da n dt h en e w e s tr e s e a r c hr e s u l t s i n c l u d i n gt h eh i s t o r yi n , o nc r o s s w i s eu n i f i e sv a r i o u se a c hs c h o o lo ft h e o r y , t h e v i e w p o i n t a n df o r m e dt h i sa r t i c l ei nt h i sf o u n d a t i o nt od i s c u s st h eq u e s t i o nt h ea n g l e o fv i e w ，t h ev i e w p o i n ta n dt h ea r g u m e n t k e y w o r d ：p h y s i c a lc o n s t a n t s ，a n t h r o p o c 旧n t r i s m ，t h ew h o l e u n i v e r s e ， h a r m o n i o u su n i v e r s e v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 日，期：孕尘罗 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 州：笋期：掣力苫 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章奇妙的宇宙学“数字”及其科学解释 自然万物无一例外的都生存在一种适合自己的环境之中，并且以自己特有 的需要和智慧与它生存所处的周围环境相互发生着作用。自然万物努力寻求对 其周围环境的了解，认识所处的世界。这些努力有不同的类型，有物种的自然 行为，也有一些特异行为。有些行为具有重复性和持久性，有些行为则是偶尔 为之。人类与自然界的相互作用，对自然界的了解就复杂的多，人类利用悟性 和智能去对付自己面对的自然界，去领悟、适应和改造自然界。 这里所说的自然界应该是整个宇宙。现代宇宙学的知识，大爆炸的理论将 宏观、微观、宇观结合了起来，成为当前的一种主流理论。当然，对这一理论 的质疑和探索还在不断的进行中：也存在各种不同的学说和流派，但为了弄清 宇宙的真象，理解我们为什么会生活在这个宇宙上则是人类的共同愿望。所以， 宇宙的本原是什么? 一直是人类研究的自然课题和哲学的基本问题，并由此而 导致了人们的各种不同认识观点。 1 1 数字“宇宙 的追溯 宇宙与数之间的联系最早可以追溯到古希腊时期的毕达哥拉斯学派。在其 思想中揉合了神秘主义、哲学思想以及数学精神的毕达哥拉斯学派很重视数学， 并企图用数来解释宇宙的一切，因为他们认为研究数学的目的并不在于使用而 是为了探索自然的奥秘。在他们看来数是宇宙万物的本原，万物是摹仿数而存 在并且从数中产生的。因为有了数，才有了几何学上的点；有了点才有线、面 和立体；有了立体才有火、气、水、土这四种元素，从而构成万物，所以“数在 物之先”。不仅如此毕达哥拉斯学派还认为：事物的性质是由某种数量关系决定 的。这种数的关系也就是毕达哥拉斯学派美学的核心数的和谐。万物按照 一定的数量比例而构成和谐的秩序，因此自然界的一切现象和规律都是由数决 定的，都必须服从这个“数的和谐 。对于整个宇宙而言也同样是这样一种数及 其关系的和谐的体系。由此毕达哥拉斯学派提出了和谐天体论，用数的和谐解 释宇宙的构成。 武汉理工大学硕士学位论文 将宇宙万物与数联系在一起的思想不仅在西方，在古代的东方同样闪烁着 他的光辉。中国道家的老子有着“道生一、一生二、二生三、三生万物，万物 负阴而抱阳，冲气以为和 的思想。这几乎就是一种宇宙由数字生成的模式。 而易经中的“无极生太极，太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦生六 十四爻，六十四爻生字宙万象 更是把宇宙纳入了数理体系，认为一切都可以 预测。物理学家狄拉克后来一直致力于数的研究，并发现“大数巧合 ，由此引 发了一系列根本性问题的研究。所以现代宇宙理论与数的结合而产生的科学意 义和哲学意义成为本文所研究的主要内容。 1 2 物理学的基本常数 随着物理学的发展，人们所知的物理常数有很多，其中比较著名的有真空 光速、普朗克常数、万有引力常数、玻兹曼常数及阿伏加德罗常数等等。这些 常数之所以称之为常数是因为他们被假设在宇宙中任何地方和任何时刻都相 同。物理常数的物理意义有很多表述形式，比如普朗克长度表征基本物理长度， 比如真空光速是宇宙中最大的速度，而本文在此所涉及的常数是： ( 1 ) g 一万有引力常数( 6 6 7 2 5 9 x 1 0 0 1m 3 c k g s 2 ) ) ( 2 ) c 一光速( 2 9 9 7 9 2 4 5 8 x 1 0 8m s ) ( 3 ) h 普朗克常数( 6 6 2 6 0 7 5 5 x 1 0 川j s ) 或者 h = h 2 兀- 约化普朗克常数( 1 0 5 4 5 7 2 6 6 x 1 0 3 4j s ) ( 4 ) e 基本电荷量( 1 6 0 2 1 7 7 3 3 1 0 。1 9c ) ( 5 ) m p m c - 18 3 6 - 一质子静止质量与电子静止质量的比率 这五个物理常数可称为基本常数，他们在物理学中具有普遍深刻的意义， 在宇宙中则都具有定值。这些常数除了本身有特殊意义外，如普朗克常数h ，本 身在传统物理学中所对应的物理意义是基本电荷电子在空间对外作用的一 种基本属性，这是从微观世界的角度出发，而光速c 则是宇观世界的一个量， 他们的组合还给予宇宙学和哲学更重要的启迪： 其一；如果以g 、c 、h 为一组，可以清楚的看到，他们代表物理学的三个 李耳庄周老子庄子 - 北京出版_ i 吐2 0 0 6 年8 月第2 版 鲁洪生读懂刷易 - 中华书局2 0 0 6 年8 月第2 版 2 武汉理工大学硕士学位论文 时期。g 代表的是以牛顿力学为主线的时期，c 代表的是以麦克斯韦电磁理论为 主线的时期，而h 代表的则是1 9 0 0 年以后出现的量子时期。如果进一步把这三 个常数结合起来，得到的即为普朗克于1 9 1 2 年提出的三个基本量： 普朗克长度l p = ( g h c 3 ) u 2 普朗克时间t p = ( g w c 5 ) 2 普朗克质量m p = ( h c g ) “2 这就是普朗克宇宙。 普朗克的这三个基本量的意义在于：这是三个有趣的量，我们无论用何种办法 也不可能造出这样的一种“尺片和一种“钟”，用它们可以测量小于l p 的长度 和小于t p 的时间。一个量，如果原则上不可测量，那么显然是毫无意义的。因 此，只有在大于l p 和t p 的范围，才能存在空间和时间的概念，在小于l p 和t p 的范围内，空间、时间的概念是失效的，是一个没有空间，没有时问的物理世 界。这个“无”的概念，与中国古代道家典籍道德经中所说的“道”的概念是完 全相同的。道德经第二十五章中说“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，独立而 不改，周行而不殆，可以为天地母。吾不知其名，强字之日道，强为之名日大。 所以才在第四十二章中又说“道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴 而抱阳，冲气以为和。 固可见在老子看来，道是先天地而生的，是天地的创造 者。有了道，宇宙的秩序就建立了，这个秩序就是统领宇宙万有的一，有了这 个一，进而有了天地万物。所以“道可道，非常道。名可名，非常名。无名天 地之始：有名万物之母。故常无，欲以观其妙；常有，欲以观其徼。此两者， 同出而异名，同谓之玄。玄之又玄，众妙之门。一 “道 在这里是“无 的本 体，而“有”则是“道的作用，“有生于无一。这也就是说宇宙是有“开端一 的。即宇宙存在“奇点”，这个奇点既无空间，也无时间，所以完全可以被称之 为无。 1 9 8 2 年，前苏联物理学家林德在英国剑桥大学的一次学会上所讲的话代表 了宇宙创生于“无 这一课题的研究。他说：“宇宙创生于无的可能性，是非常 有兴趣的，应当进一步加以研究有关奇性的一个最令人困扰的问题是：宇 宙创生之前究竟是什么? 这个问题似乎是绝对形而上学的，但是我们有关形而 车耳庄周老子庄子 5 6 页t 北京出版社2 0 0 6 年8 月第2 版 李耳序周老子庄子 9 2 页北京出版_ 吐2 0 0 6 年8 月第2 版 李耳庄周老子庄子 8 页t 北京出版社2 0 0 6 年8 月第2 版 3 武汉理工大学硕士学位论文 上学的经验告诉我们，这类玄学的问题，有时却由物理学给出答案。 1 9 8 4 年， 英国剑桥大学的霍金和他的合作者吴忠超一起得到了第一个完整宇宙自足解。 霍金他们的理论虽然很简化，但是它表明建立宇宙创生自足理论是可能的，找 到宇宙的自足解也是可能的。在他们的理论中，已有一些基本原理和特征，可 在进一步的研究中发挥作用。宇宙的创生正在变成一个物理学课题，即用理论 和观测相对证的物理方法加以研究。而哲学也应当参与其研究的全过程。 其二，将e 、m 加产1 8 3 6 作为一组，标志着物质的单元特征的常数。当然这 只是基于对原子认识的限度。由它们的组合，我们又会得到一些有趣的数： 原子中静电力与万有引力比率： 萨e 2 g m p i n e - 2 x 1 0 3 9 ( o 2 x 1 0 4 0 ) 引力耦合常数： o o - = g l l l p 2 l l c 5 x 1 0 3 9 ( o 5 1 0 4 0 ) 电力与引力比率，其值的数量级1 0 4 0 ，表明其在亚原子内部电力比万有引 力强大的多，所以，它显示的是亚原子内部的物质特性。但是在自然界中，电 离是可以中和的，而万有引力则是累积性的，所以在恒星或星系系统的尺度上， 万有引力是一种强大的力。亚原子层次是一个纯数、自然数。或者说是无锥、 无度。 引力耦合常数也是一个没有维度的纯数，他涉及对引力常数g 的应用，即 在星系范围中的应用。很显然他的数量级也是1 0 柏，与原子内电子和引力的比率 是同一个数量级。 上述这些常数数值的重要意义还在于：可以被用来确定同一个量值系列的 实体，如核子、原子、行星、恒星等的大小和质量，例如代表质子的康普顿时 间，即超过质子的光的特有时间： t n = h m p c 2 1 0 2 4 s 1 3 宇宙常数的科学解释 1 3 1 微观比与宇观比在数量上的“巧合 根据宇宙模型，宇宙中存在红移现象可以被认为是宇宙膨胀的多普勒效应， 方励之哲学是物理学的工具) 1 1 4 1 1 5 页湖南科技出版社1 9 8 8 年2 月第l 版 4 武汉理工大学硕士学位论文 即“哈勃红移 ，亦即退行速度。根据现在公认的哈勃常数值即宇宙膨胀率约为 1 5 k m s m l y ( m l y 即为百万光年) ，经计算，宇宙目前的年龄为1 0 1 0 年= 3 x 1 0 s 。 也就是说宇宙现在的年龄t h 1 0 旧年是目前这个时间点上的数值。 我们将宇宙年龄和康普顿时间进行比较，即以亚原子表示的宇宙年龄，得到 t x t n - - 3x 1 0 1 。7 l o 2 乜1 0 也是一个纯数，自然数。它和亚原子粒子所含的电 力与引力之比的数量级竟然是相同的，即1 0 4 0 。这是一种巧合? 如果说是一种巧 合，那么这实在是一个让人吃惊的巧合。在宇宙领域和亚原子领域这两个完全 独立和分离的领域，应该可以出现无数个数字比率关系，然而为什么却偏偏只 有这么一个巧合昵? 物理学家狄拉克认为这不是一种巧合，这两个大数如此接 近，在自然界中一定存在某种基本的原因。而物理学家迪克研究了这种巧合以 后做出的解释是：唯一能够解释从亚原子领域和宇宙领域竟然分别得出了相同 的1 0 4 0 ，这个比率关系是因为我们这颗行星地球上有生命存在的原因。这 个解释被后人称之为弱人择原理。 1 3 2 宇宙的开端 早期的宇宙是非常炙热的，在大爆炸后的一秒钟以前，宇宙的温度高于1 0 0 亿度，那时不仅不可能存在星系、恒星、地球，甚至除氢核外没有任何其他化 学元素，只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合 而成的“宇宙汤”。起初，中子和质子的数量几乎相等，随着温度的降低，两者比 例下降，约3 分钟时达到1 ：6 。当温度降到1 0 亿度，中子和质子合成氚核的反 应开始。类似氢弹爆炸时发生的聚变过程迅速把所有中子合成到由两个质子和 两个中子构成的氢核中，由此算出氢同氦的质量比为4 ：l 。天体测量表明了这 样的丰度。3 分钟后经过约7 0 万年，宇宙温度降到3 0 0 0 度，电子与原子核结合 成稳定的原子，光子不再被自由电子散射，从此宇宙变得透明。又过几十亿年， 中性原子在引力作用下逐渐凝聚为原星系，原星系聚在一起形成等级式结构的 星系团。与此同时，原星系本身又分裂形成千万恒星。恒星的光和热是靠燃烧 自己的核燃料提供的，其后果是合成碳、氧、硅、铁这些重元素。在恒星生命 即将结束时，它将通过爆发形成抛出富含重元素的气体和尘粒，这些气体和尘 粒又构成新一代的恒星的原料。由此形成第二代、第三代恒星的演化和循环， 其结果星系越来越年轻，重元素越来越少，天文观测的确如此。星系的形成也 在发生变化。然而恒星形成后光和热的来源，是其中心由氢聚变为氦的核反应， 5 武汉理工大学硕士学位论文 接着产能过程停止，辐射压力下降，星核将在引力作用下收缩，收缩产生的热 再使温度升高，达到引发氦燃烧的程度，结果将3 个氦核聚合成一个碳核，类 似过程，合成氧、硅，直到合成最稳定的铁为止。 太阳系就是由这样的气体和尘粒云形成的。而地球是由原始的太阳星云分 馏、凝聚而形成原始地球，原始地球在高速运动星系的冲击，大量星系的堆集 而压缩及放射性的衰变则使得原始地球开始发热并开始发育，生长形成现有这 样的状态。氢和氦的结合的水，原先潜藏在矿物中，由原始地球变热，水被释 放出来，大部分形成气状、形成大气圈，部分变成海洋，又由于太阳的紫外辐 射促使大气成分之间发生反应，使无机物质生成有机小分子，然后发展成有机 高分子物质组成的多分子体系，再演变成细胞，生命得以开始和进化。 1 3 3 人的起源 剑桥大学的卡特认为这个巧合应该涉及物理的基本常数，也即人的存在与 某些基本物理常数联系在一起。通过宇宙的物理常数之间的相互作用，宇宙被 “调谐 成现在的样子，以致任何一个常数的些许变化都会对该常数于其他常 数之间的关系产生巨大的影响，并从而会影响到由这些常数组合起来而形成的 各个宇宙结构和演化过程。假使目前这些基本物理常数以及它们相互作用是另 外的情况；那么，我们现在所知道的生命就不会出现，能够观察和逐渐理解宇 宙的人类也就不会成为宇宙一部分内容和产物了。于是，人在宇宙中的存在本 身便为某些基本物理常数之固定在一组特殊的数值上提供了一个明显的根据。 人在宇宙中的存在本身便为某些基本物理常数必定会具有什么数值成为可能。 利用人择原理可以相当好的说明某些物理常数之间的关系，对某些自然科 学的事实给予较合理的说明，指示了自然界事物的新联系、新特点，对自然科 学和哲学的发展具有重要的理论意义。 如关于退行速度与逃逸速度的关系，哈勃红移可用星系的退行运动引起的 多普勒效应来解释。哈勃总结的规律是星系的退行速度v 正比值于距离d ，即 v = h o d 称为哈勃定律，其中h o 为哈勃常数，由此自然的得出“宇宙在膨胀”的推 论。另外宇宙没有中心，那么可以说任何一点都是中心，如果我们的观测在0 ， 考虑在半径为r 的一个球面上一个星系p ，按引力理论，只有球内的质量即为 m = 4 3 兀r 3 p ，对p 由引力作用，那么可知，星系p 从球面上逃逸的速度是 v = ( 2 m g r ) 眈= ( 8 3 兀g r 2 p ) 1 2 。随着宇宙的膨胀，p 、r 、v 都随时间而变，我 6 武汉理工大学硕士学位论文 们分别用p o 、r o 、v o 代表它们在t = t o 即现在的数值。如果星系p 现在的退行 速度为v o ，而v o v ，则它将永远退行下去，宇宙将永远膨胀；如果v o v ， 则星系经过一段时间的退行之后将停下来，然后重新靠拢，即重新收缩。而临 界的情况v o = v ，观测到的大尺度各向同性和小尺度的物质成团，即形成星系的 组合才能发生。人类观察到的宇宙确实十分特殊，它的退行速度是无限可解范 围内的一个特定值，即精确的等于逃逸速度，而除此以外的，其余那些具有可 能的初始条件，含所有退行速度值的无限多个宇宙中，物质都不能凝聚成星系。 因此，星系的存在似乎就是智能生命得以产生的一个必要前提，因而我们观测 到宇宙各向同性这一事实，不过是由于我们存在的缘故。此外，如果质子与中 子的质量稍有变化，就可能使上百种核素变得不稳定，这将直接影响到化学和 生物演化的根基。由此看来，人的之所以能够存在，的确是与物理常数的巧妙 配合分不开的。 人的存在是一种选择因素，这个因素为基本物理常数“选择”了某些特定的数 值组合而排除了其他的数值组合，即人的存在推论出基本物理常数的某个数值 必定会在宇宙中被发现。卡特要求我们去想象一个多宇宙的集合体。这个集合 体中的每一个宇宙都是真实和实在的。但是从确定基本物理常数的各参数来看， 这些宇宙彼此又是各不相同的。在所有这些中，只有一个子宇宙集合体是可认 知的，只有那些其基本常数组合证明是能够支持生命存在的宇宙，才会包含智 能观察者。并非所有想象的或者是可能存在的宇宙都允许其中有智能观察者存 在，这是因参数的组合与观察者的存在不相容。这种智能生命存在的宇宙称为“我 们的宇宙”，亦可称之为“有限”宇宙。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于宇宙学“数字 的哲学断想 2 1 宇宙学的倒追研究法 2 1 1 倒追研究法的溯源与宇宙学的倒追研究法 倒追法还可以被称之为“逆推”或者“溯因”。它既不同于归纳法，也不同 于演绎法，皮尔士认为：“归纳法永远不能产生新思想，演绎法也不能产生新思 想，一切新的思想都是用倒追法产生的 。那么什么是“倒追法一? 对于一个事 实，尝试性地提出一个关于它的原因的假说，如果这个假说真的能说明这个事 实的原因，这个假说就是真的。这种采用“逆推 或者“溯因”的方式进行科 学研究的方法可称之为倒追法。也就是说倒追法是根据已知事实结果和有关规 律性知识，推断产生这一结果的原因的推理过程。 倒追研究法的萌芽最早可以追溯到亚里士多德，在他的著作前分析篇 中曾提到了“还原推理模式 ，这可以看作是溯因推理的最初表述。但作为真 正意义上的逆推推理则是由美国逻辑学家皮尔斯在假说的基础上提出的。皮尔 斯认为在科学研究过程中，不仅存在着演绎推理和归纳推理，还存在着第三种 推理形式即逆推推理。溯因推理即是由结果追溯原因的思维方式。皮尔斯同时 还认为不仅存在着不同于演绎、归纳的回溯推理，并且新的科学观念都是通过 回溯推理而产生的。演绎法是从一般到个别，如果抛丌归纳，则无从获得出发 的前提。归纳法则从个别到一般，但是如果没有演绎，就会在经验事实之前失 去明确的目的与方向，而不知如何进行概括。科学研究的目的在于认识新的知 识，不可能仅仅从已有的知识中推演出来，同时这种新的知识是具有普遍必然 性的，亦不可能仅仅通过对于有限的经验事实的归纳而得到的。皮尔斯提出的“回 溯推理法”模式具有创造力的逻辑思考过程，扮演着新观念或假说产生的重要角 色，再寻求适当的观察或验证来做新理论的发展。简单而言倒追研究法更符合“大 胆假设，小心求证”的科学精神，因此有人认为“逆推创造、演绎解释、归纳证实”。 林建武，近年来国内皮尔士研究简述，哲学动态2 0 0 5 第八期 武汉理工大学硕士学位论文 现代宇宙学的理论的建立大都基于倒追这样一种方法。宇宙大爆炸就是对 于宇宙起源的一种假设。上个世纪2 0 年代，一些天文学者观测到，许多河外星 系的光谱线与地球上同种元素的谱线相比，都有波长变化，即红移现象。1 9 2 9 年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比 的规律。他在理论中指出：如果认为谱线红移是多普勒效果的结果，则意味着 河外星系都在离开我们向远方退行，而且距离越远的星系远离我们的速度越快。 这正是一幅宇宙膨胀的图像。正是基于红移现象这样一些我们可以看到的一些 事实，1 9 3 2 年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一 个“原始原子 中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的 宇宙。4 0 年代天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论后认为， 宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，宇宙的大爆炸导致 宇宙膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低。