物理科学的核心是什么？其奠定基础和指导发展的理念是什么？客观实在的概念有意义吗？如果有，我们的物理科学理论有效地接近它了吗？ 本书是一位世界**的宇宙学家关于这些问题的持续思考。他以宇宙学为例，结合自己的科学实践经验，深入探讨了科学的本质这一重大问题。 作者追溯了自爱因斯坦以来的科学家对科学本质的思考，简明地阐述了一些基础的科学研究工作假设，并详细回顾了爱因斯坦的相对论和宇宙学原理，大爆炸理论，以及暗物质、宇宙学常数等问题，由此揭示出人类通过越来越严格的检验，以接连近似的方式接近客观实在的证据——这就是作者所发现的“全部的真相”。 本书*重要的现实意义就在于，将贯串科学研究过程的科学精神和科学思维方法，通过对现代宇宙学中一系列重大发现过程的讲述真实地呈现在读者面前，从而让读者深深体会到，科学并不仅仅是一些专业知识和技术，更包括获得这些知识和技术的方法，以及看待和探索这个世界的思想方法。 ——武星，中北大学半导体与物理学院

前 言
我们所从事的自然科学研究，其核心是什么？我说我们是在寻求实在的本质，但这又是什么意思？你不会从一线科学家那里找到现成的答案，因为他们更愿意解决手头研究工作中出现的问题。然而，哲学、社会学以及科学史中的一些思路，可以很好地描述我所看到的科学活动的核心。通过宇宙学中的种种示例，我想要解释这样一种描述宇宙从炽热、致密的状态膨胀而来的理论。半个��纪前，我开始从事宇宙学研究。那时，这个学科中满是一些凭空猜测，而相关证据****。如今，我已亲眼看到它发展成为物理科学中一门完善的分支学科。这样的经历不仅促使我反思在遇到一些大致可以合理定义的问题时该如何去解决，更促使我反思自己与同行们一直以来从事的事业以及我们的收获。本书正是这种反思的结果。
对于那些不熟悉物理学行话但又有兴趣了解科学家的工作与动机的读者，我希望本书可以让他们读得懂。科学界的同行看到我在此讨论一些社会学和哲学方面的问题，还讨论自然科学中支持客观物理实在（reality）的证据，或许会感到惊讶。这些并非我的同行所熟悉的话题。但我觉得，为了更全面地理解我们正从自然科学研究中学到的东西，这些内容是至关重要的。我并不试图评价科学哲学与科学社会学中关于实在的思想，但我希望这些领域的专家会有兴趣看到，他们学科中的一些观点是如何在自然科学实践中寻得共鸣的。
科学家对自身的学科也有不同的思考方式。在众多种类当中，我站在经验主义者一边。我喜欢看到争论通过测量得到解决。尽管我的经验主义倾向使我只关注实验或观测对物理学理论进行检验的情况，仅此而已，但我也认识到，好奇心驱使的科学研究提供了很好的证据来支持这样一个抽象概念：客观实在（objective reality）。这一概念用在科学中时，是可以通过科学方法的失败来证伪的。但它永远无法被证实，因为经验证据的准确性总是有限的。本书的主题如下：在物理宇宙学这一有解示例（worked example）中展现出的那些自然科学的经验结果汇聚成一个令人信服的理由，它可以支持不依赖于观测者的实在。在科学中我们*多只能做到这样。
自然科学是如何发展到今天的地步，而我们又是如何找到支持客观实在的理由的呢？我对此问题的看法发生重要转变，源于我认识到物理学中一种司空见惯的经历：当你产生一个有趣的想法后，很有可能别人已经谈论过它；或者，如果消息传播得不够快，那么别人也将独立地想到它。例如，查尔斯·达尔文（Charles Darwin）和阿尔弗雷德·华莱士（Alfred Wallace）各自独立地提出了自然选择下的进化这一概念。这是另一个科学分支里的例子，但就连我也早已知道了。我在研究生时期就已经注意到物理科学中的另外一些例子，但直到*近才开始思考它们。我不觉得我的经历在这一问题上有什么特殊。其实我也从未听到物理学家谈论我们能从多重发现（multiple discoveries）这一现象中学到什么。但我逐渐认识到，达尔文和华莱士能同时萌生自然选择这一想法，这件事本身就进一步支持了该想法的合理性。毕竟，他们两人都通过扎实的工作，各自独立地注意到了相关证据。同样，在对宇宙大尺度性质（large-scale nature）及其演化的探索中，数量相当可观的多重发现本身就意味着：这些证据为我们的思考将我们引向的那些方向给出了合理的动机。
我想知道是什么人认识到，这些多重发现是评价自然科学时需要考虑的一种现象。这样的疑问将我引向了社会学家。他们认识到了这一现象，而且我发现自己需要从社会学的书中学习一些关于物理科学实践的东西。这些书又将我引向一些哲学书，在此之前我从未想过要参考这类书。
经过这番学习我才认识到，社会学家的社会建构与经验建构等概念可以解释我视如珍宝的一本书中一个令我不解之处。这本书就是列夫·朗道和叶甫盖尼·栗弗席兹（Lev Landau and Evgeny Lifshitz）合著的《经典场论》（The Classical Theory of Fields，1951；我这本是1948年俄文版的英译本）。这本书的前2/3是对经典电磁学理论基础的细致研究，该理论经过了充分检验，且有着广泛的应用。书的后1/3是讲爱因斯坦的广义相对论。从我1958年作为一名研究生加入鲍勃·迪克（Bob Dicke）的引力研究组开始，我就知道这一理论缺乏经验支持，而这一点与电磁学截然不同。既然如此，为什么在《经典场论》中，广义相对论与电磁学所占篇幅几乎相当？在第2.2节中介绍的关于建构的社会学帮助我理解了这个问题。这是本书的主题之一。
现在，我对社会学和哲学仍然比较外行，但我知道这些学科中的一些内容与科学实践息息相关。对于我们这些既不是哲学家又不是社会学家的人来说，*好的学习方法是把这些内容应用到特定的物理科学研究经历中。我视之为一种有解示例，就像我们给学生设计的那些带有解题步骤的例题。关于物理科学研究的一个有解示例就是物理宇宙学，即关于宇宙大尺度性质的研究。这一学科的现代形式，始于一个世纪前的一套相当清晰的初始想法。追寻这些想法的过程包含了一系列关于困惑与发现的有趣经历，而它们*终带来了令人满意的结论。对该理论的检验数量充分，可靠性也经过了充分检查，这些都足以构成一个令人信服地确立起来的理由，表明我们能够很好地近似描述宇宙在膨胀与冷却过程中实际发生过的现象。大多数思考过这一领域的物理科学家都赞同这一点。
我应当提醒读者注意的是，如果将这个已被接受的标准理论外推到遥远的未来，或是外推到过去密度任意大的时刻，那么它将变得不再可靠。有些有趣的观点是关于未来的命运：你会听到人们谈及大挤压、大冻结以及大撕裂等有趣的观点。也有些有趣的观点是探讨大爆炸之前曾经发生过什么，无论它意味着什么。但这些猜想都超出了本书的讨论范围。我们希望以物理科学中的某个理论为例，通过研究它是如何被人们广泛接受来获得一些启示。为了达到本书的目的，我们只需讨论这样一种理论就足够了：这种理论所描述的对象**的那些残余已能被我们识别和解释。
对于我们这些感兴趣的人来说，整个自然科学都是令人着迷的。量子物理学中各式各样得到充分检验的预言，进一步充实了支持客观实在的理由。我**斯蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）在《**理论之梦：探索自然的基本规律》（Dreams of a Final Theory: The Search for the Fundamental Laws of Nature，1992）一书中所做的讨论。然而，通过研究相对论物理学以及描述宇宙演化的相对论性理论（relativistic theory）的建立过程，我们从中学到的东西也可以用来论证这一点，即我们是在寻求一些操作起来有用的近似方法去描述客观实在这一抽象概念。我们之所以不以量子力学中的话题为例进行讨论，仅仅是因为宇宙学的历史和物理都更简单一些。
生命物质产物的性质对我们目前的讨论也有一定作用，它们可以作为例子来展示复杂物理系统研究中存在的那些问题。对一些更简单的系统进行检验所得到的证据揭示出，相对论和量子物理学是客观实在的有用近似。然而，通常的假定认为，生命系统体现了同一个客观实在的运行。但我们也必须接受这样的事实，即目前的分析方法还不能清晰地证明这一点。
在科学的不同分支中，工作条件大不相同，而工作条件决定了所能开展的工作，因此不可能有一份通向科学本质的通用指南。但我们可以从一个具体的有解示例中，也就是本书的物理宇宙学中得到有用的启示。一个有利因素是，它是自然科学中较为简单的分支学科。另一个有利因素是，我很了解这个学科：在过去的半个世纪里，我一直在研究它，并且见证了它的发展。
本书介绍物理宇宙学的发展历程（从第3章到第7章），目的是说明以下三点。**，它作为一个例子展示了物理科学的工作方式。第二，它帮助我们理解社会学家和哲学家审视科学时一直在谈论的一些问题，而这些问题在科学家看来也是密切相关的。当然，这些学科中的其他一些问题看起来就不是这么直接相关。第三，它展示了自然科学实践揭示客观物理实在这一论证的本质。
我首先回顾人们对物理科学的本质进行思考的思想史。这段历史追溯到20世纪初，当时爱因斯坦正专注思考的是，一个理论可能具有何种性质才能对引力以及一个合乎逻辑的宇宙做出令人满意的描述。从更早期的科学史中还可以学到更多，但是只关注一些不那么久远的、更直接相关的发展历程有助于保持本书的条理性。即便这样一段有限的历史也是丰富多样的，我只讨论其中能够说明特定观点的一些例子，而这些观点在我看来影响了我们今天在科学与社会领域中看待物理学理论的方式。基于这些例子以及我个人的经历，我大胆地将物理学的工作假设简单地表述为：构成我们在该学科中工作之基本依据的那些观点。
这些工作假设由第1章引入。我将它们列在该章结尾处，并对其进行讨论。它们围绕着这样一个**观点，同时也是一种假设，即我们那些更好的理论是对客观实在的有用近似。对一些人来说，客观实在这一概念是显而易见的，而另一些人则对此存疑。我将从描述宇宙大尺度性质的相对论性理论的发展历程中举一些例子来支持前一种观点。正如我之前说过的，尽管量子物理学中还有更多支持它的例子，但相对论中的例子就足够了。
物理科学的社会本质是科学家文化的一个重要部分。历史学家、哲学家和社会学家对此比物理科学家有着更为清晰的认识，而这种情况是应该得到纠正的。我将回顾爱因斯坦广义相对论的发展及其引起的反响，它通过严格检验而得到*终确立，以及关于如何将它应用于宇宙大尺度性质理论的思想历程。以这段历史为例，我们将看到物理科学的社会学，以及在该学科的研究中我们那些隐含的工作假设是如何在这些过程中逐渐展现出来的。出于这样的目的，初始阶段的研究往往会提供*有用的信息。一旦某种研究方式被视为大有希望而得到广泛使用，之后它的发展就往往是更加顺理成章而更少具有启发性，除非这种方法*后失败了。仅仅对于一些到目前为止被证明是成功的想法，我才会简要总结一下相关研究的收尾阶段。 译后记
本书作者P.J.E.皮布尔斯为现代宇宙学的发展做出了**贡献，并因此而分享了2019 年诺贝尔物理学奖。基于在这个引人入胜的发展历程中多年的亲身经历和所见所闻，作者回顾了20 世纪60年代以来宇宙学发展过程中的一系列重要发现，从较早的宇宙膨胀一直到较近的暗物质。更为详细的理论描述由作者的另一部作品《宇宙学的世纪》（Cosmology’s Century）给出。本书在内容上与之有所重叠，但主旨不同。可以认为，本书是作者结合《宇宙学的世纪》一书内容，从科学哲学和社会学的角度对自然科学进行的反思。作者试图回答这样一个问题，即自然科学研究本质上是在做什么？
当然，要回答这个问题并不容易。因为自然科学，或如作者所谓“物理科学”，包括了物理学、化学、生物学等众多学科。在物理学中，人们可以通过可控的实验或观测条件来发现新现象或检验理论预言以推进其发展。但在自然科学的其他学科中，特别是涉及生命系统的生物学、生态学等，由于研究对象涉及众多复杂的因素，故而难以像物理学那样清晰明确地揭示出其中的规律。至于像医学这样的学科，具有柯林斯和平奇《勾勒姆医生：如何理解医学》（Dr. Golem: How to Think about Medicine）一书所谓科学探索和提供救助手段的双重角色，不仅涉及科学，还涉及社会、历史、道德、伦理等方面的因素，要从中厘清自然科学研究的本质，就更加困难了。因此，作者选择了相比而言*简单的物理学，并聚焦于现代宇宙学这一分支学科的发展历程，试图论证自然科学研究就是在揭示客观实在，或者说，接近这样一个遵循客观规律运行的实在。这应该就是作者所谓“全部的真相”。
这一回答看似简单，但事实未必如此。正如作者在书中所展示出的：一方面，在科学哲学和社会学界，人们历来对此问题看法不一，有着不同的学派和思想阵营；另一方面，自然科学界的工作者忙于专业问题的探究，无暇思考这类问题。但是，作者认为自然科学研究是基于与此问题相关的一些默认前提，即本书第55页讲到的“工作假设”。可以想象，大多数自然科学特别是物理学工作者，如果看到作者的基本观点应该是不难认同的。在我看来，本书*重要的现实意义就在于，将贯串科学研究过程的科学精神和科学思维方法，通过对现代宇宙学中一系列重大发现过程的讲述真实地呈现在读者面前，从而让读者深深体会到，科学并不仅仅是一些专业知识和技术，而且包括获得这些知识和技术的方法，以及看待和探索这个世界的思想方法。科学结论的正确性只是在符合现有一切可靠经验证据的意义上成立的，因而是一个动态的、发展的概念。新的经验检验导致科学结论的改进甚或被推翻，这正是包含在科学自身的内在要求，绝非普通人所谓“被打脸”或“科学的失败”。对于普通大众来说，某一领域的科学专业知识或许不是必需的，但科学精神或科学思维方法是更具普遍意义的，也是更重要的。
对于大多数中国人来说，“唯物主义”“客观规律”等频繁出现在课本和报刊中的词语是司空见惯的，而作者这一论断似乎就应该是天经地义的。但事实也未必如此。随着互联网和手机自媒体的迅猛发展，各种伪科学、反智主义的观点和各种“智商税”产品的宣传对我们来说似乎也是司空见惯了。毕竟，通信手段的进步对传播各种良莠不齐的信息都是更有利的。因此，注重批判质疑、强调经验检验的科学精神就显得尤为重要。在我看来，本书中文版的现实意义就在于能够帮助科学精神和科学思维方法在中文世界的传播，尽管其作用可能是杯水车薪，但我们还是应该抱有水滴石穿的希望。
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致中国读者（P.J.E.皮布尔斯） 前 言 i 第1 章 关于科学与实在 1 1.1 一个世纪前的思考 5 1.2 关于社会建构、经验建构与循环建构 36 1.3 科学哲学 44 1.4 物理学的工作假设 53 第2 章 物理学的社会本质 6 1 2.1 多重发现 62 2.2 建 构 64 2.3 科学知识社会学 73 第3 章 广义相对论 7 7 3.1 发 现 77 3.2 社会建构 83 3.3 早期检验 85 3.3.1 水星轨道 86 3.3.2 引力红移 88 3.3.3 光的引力偏折 96 3.4 经验确立 100 3.5 收 获 106 第4 章 爱因斯坦的宇宙学原理 109 4.1 爱因斯坦的均匀静态宇宙 109 4.2 均匀性的证据 116 4.3 分形宇宙 122 4.4 收 获 126 第5 章 热大爆炸 129 5.1 伽莫夫的热大爆炸宇宙学 131 5.2 稳恒态宇宙学 138 5.3 大爆炸的残余：氦 139 5.4 大爆炸的残余：辐射 148 5.4.1 意外发现的星际氰激发 148 5.4.2 迪克的探索 151 5.4.3 贝尔微波接收器上意外发现的辐射 155 第6 章 ΛCDM 理论 163 6.1 初始条件 163 6.2 空间截面的曲率 165 6.3 宇宙学常数 167 6.4 暴胀与巧合性 176 6.5 重子与不发光物质 181 6.6 暗物质 188 6.7 CDM 理论 193 6.8 ΛCDM 理论 197 6.9 困 惑 200 6.10 解 决 205 6.10.1 红移—星等关系 205 6.10.2 物质与辐射分布中的模式 207 6.10.3 定量检验 211 第7 章 从科学进步中学到的经验 221 7.1 ΛCDM 理论的发现看似是必然的 222 7.2 建构与科学大战 232 7.3 ΛCDM 的多重发现 235 7.4 疑 问 240 7.5 未 来 248 7.6 关于实在 250 注 释 261 参考文献 275 译后记 297