第一章 宇宙学概说
一、宇宙学是什么?
1．宇宙学的基本概念
宇宙这个语词在英文有Cosmos和Universe两个单词，前者有“秩序，和谐”之义，后者有“万有”之义。汉语的“宇宙” 本无这些含义，而仅指总体的时空。佚书《尸子》曰：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”① 这里宇是空间，宙是时间。然而宇宙二字皆用“宀”，原来是用于房屋之类名物的，在日常语言里“宇宙”一词仅指总体空间，不包括时间。如西汉成书的《淮南子》，其言“宇宙”多不含时间之义。《管子 宙合篇》写成不晚于战国，其“宙” 字指空间而不是时间。其文曰： “天地万物之橐也，宙合有橐万物。” 意为：天地是装万物的箱囊，宙合又(有通又)装着天地。唐人尹知章以“古往今来曰宙也”注题，就不对了。《说文》曰：“宙，舟舆所覆也”，这也说的是空间不是时间。先秦墨家就不用“宙”而用“久”表示总体的时间，这更合理，可惜没流行起来。现代流行汉语通常仍然仅以宇宙为空间的概念，说“宇宙之大”，而不说“宇宙之久”。今人多是由王羲之《兰亭集序》熟悉这个短语的，即那句话“仰观宇宙之大，俯察品类之盛”。汉儒扬雄《太玄经》曰：“阖天谓之宇，辟宇谓之宙”，以浑天之天形为球壳而言阖辟，则以宇为天之内，而以宙为天之外。
中国古代“天”是个*特别的概念。平常所说的“天” 就是宇宙，包括万有。今有学者说： “儒家的天就是上帝，皇帝以祭天为大典，所以儒是宗教，以儒治国是政教合一。”他们把上帝与天混为一谈。实际上，在利玛窦来华之前，中国的上帝不是天。上帝不只一个，秦祀四帝，汉祀五帝，而天是至大的**的存在。朱熹说过：
苍苍之谓天，运转周流不已，便是那个。而今说，天有个人在那里批判罪恶。固不可说道全无主之者，只不可这里要人见得。
所谓“要人见得” 意思是“看得见像人那样的存在”，即今言“人格化”之义。
中国古代宇宙论主要是对天的讨论，可以罗列带天字的基本概念语词：
(1)天文——这是中国*典型*古老的一门科学之名，源自《易传》“仰观天文，俯察地理”之言，不是翻译来的。主要朝代的正史都有“天文志”。
(2)天体——现代汉语指日月星之类的天文个体，而在古代汉语则指宇宙结构。
(3)天道——宇宙的运行过程及其规定性，如朱熹说： “他却自定” (见后文第五章)，即指天的自身内在的规定性。
(4)天理——按韩非子和朱熹的理解，这是天道分析的定理或定律。但别人也有混同于天道者。
(5)天数——事件按天理规定的程序。以其可由易学卦爻数序分合描绘构成，故称“数”。
(6)天命——由宇宙整体规定的局部或个体的运动变化过程。也有混同于天数者。
(7)天心——天的思想，偏重思考之义。张衡《灵宪》用之。朱熹则说：“天无思虑。”
(8)天意——天的意志，偏重情感意图。也有混同于天心者。
还可以列举更多带天字的语词，但不如上述这些更具基本性。
汉语里还有“世界”这个词，它来自佛经的翻译。所用的两个单字“世”和“界”原本分别是时间和空间的概念。《楞严经》曰：“世为迁流，界为方位。汝今当知：东西南北、东南、西南、东北、西北、上下为界，过去、未来、现在为世。”
在现代日常汉语中，世界经常偏向于指称地球上的人间，义近“国际”。在物理学中说“微观世界”、“宏观世界” 则指物理分析的不同尺度的自然界。哲学语词“宇宙观” 的概念内涵是以太空为主的物理的自然界，而在“世界观”概念里则含义更广而包括人伦社会。本书的“宇宙学” 是以物理的太空为主要研究对象的学科。
到了近代，不论哪一派宇宙学家，都公认宇宙是既包括空间也包括时间的，但对是否还包括万有则常含糊不定。按说宇宙没了万有就连“我” 也没有了，哪还有什么宇宙学等等?可是有的学者在讨论中硬是要讲不存在任何物质的宇宙时空，不是钻死胡同吗?牛顿就是这样讨论宇宙时空的。爱因斯坦对牛顿的革命性改进，关键就在于把引力场与时空结成不可分割的整体。然而， “万有” 是否可以仅仅归结为引力?这仍是物理学至今未决的老大难问题，在“万有” 尚属概念未清之前，仅依广义相对论作数学推演，以至延伸到宇宙的初始和终结，这实质上已经超越了物理学正常规范的界限，属于哲学议论了。那些数学的专业语言，与哲学的专业语言一样，令人敬畏，但却改变不了这个实质。
在宇宙学中运用数学，以致使人望而生畏的程度，这在中国与古希腊一样，早已有之。《周髀》就是这样一部作品。《魏书》中说：道教大掌门寇谦之竟也算不出《周髀》的数，要仙人成公兴来指点!现在我们看《周髀》的数学，正如看托勒密的《至大论》(Almagest) 不过是初等数学，可在唐朝国子监那却是算学*高等课程。科学史的事实证明，数学自古就是宇宙学的重要思维工具或研究方法。须知宇宙学中的数学是表述物理状态的，不是纯粹数学。如果像牛顿那样，抛开物质谈论空无一物的宇宙时空，则既无数也无形。
数是考察事物异同的过程中对同类事物依序列举的表述记号;
量是物的某一质项与标准物的同一质项比较而取同的次数;
形是物质在空间中分布的异同区界，或某一质项陡变的界域。
空无一物的宇宙时空无所谓异同，何来数形?庄子曰：“无形者数之所不能分也，不可围者数之所不能穷也。”但是，仅从这条道理说，逻辑上不排除宇宙中局域为绝对虚空。《列子 汤问》曰“有则有尽”，现实的宇宙当然是“有”;尽的本义是中空，是局域虚空的意思。然而物质还有一个极要紧的存在方式，就是信息。任何绝对的虚空是不是连信息也没有呢?如果其外的存在得不到这局域虚空的任何信息，又从何得知它在那里呢?假如有光或别的什么穿过它，那倒是可能计量它的大小长短，可那样它的绝对虚空状态就破坏了，它不再是绝对虚空了。由此可言，宇宙中没有绝对虚空，连局域的绝对虚空也没有。汉代宇宙学的两部主要文献《周髀》和《灵宪》都说，在思虑所不能及的天外， “过此而往，未之或知”。这是从《易 系辞》引申到宇宙学的一句话。他们都不敢说天外是绝对虚空。
至于古代欧洲，早以星空为一大球壳或少数几层同心球壳，在其外则为上帝所居，也不敢说是绝对虚空。然而他们与中国人不同的是有原子说，分立的原子之间的空间被认为是绝对虚空，这是局域虚空。他们的世界由互无关连的原子团构成。中国人没有原子说，主张元气说，元气弥散地充塞一切时空(参见李志超《天人古义》“墨经‘端’的意义”一文)。中国人的宇宙是个不可分割的混一的整体。中西宇宙观异同之根本，仅在于总体存在与人的关系。
量子力学的物质波动性是超时空的。据此，宇宙中亦无绝对虚空。如果把某些学者主张的宇宙有开端之说理解为其开端以“有先” 定义，而这个“先” 是绝对虚空，则因这“先”无信息而实归于“无先”。晋人郭象《庄子注 庚桑楚篇》作过这种论证： “以无为门，则无门也。” 德国人康德也曾以“二律背反”之辩讨论过。至于量子力学在这种“开端” 问题上的作用，则须留意：其真谛实为考虑波粒二象性，而非片面的物理量的分离量子化。波性是去不了的，是与粒性并立的实质，而不是如玻恩解释所说以及玻姆的隐参量理论所追求的——粒子的某种存在形式。这就涉及上文提到的现代物理学大难题：引力论与其他物理理论如何统一?
宇宙的本质在于万有，万有是变化无穷的多异之合。或曰宇宙的本质是物质性。物质是表现差异变化的宇宙本体。
异和同是不可分割的对立统一的哲学范畴。绝对同一或绝对差异都等于绝对虚空，是“不存在”。所以，宇宙学内容必须包含探讨物质之共同的和分立的性状的问题，这当然是物理学问题，是宇宙学的一半。反之，如果宇宙只被看成是**的存在，**者至大无外之大一也，按这点说，宇宙是不能由科学来研究的。科学要以多于一的对象作比较而求其同异，故而只能对付有多的事物，不能研究独一无二的对象。作为科学对象的宇宙是从两方面看的：一是它随时间而有运动变化，异时的宇宙是多;二是它随空间而有结构变化，拆分的宇宙是多。宇宙学是由分解时空的研究以求了解那个**的总体，特别是从吾人所居所见的有限局域外推而求知总体。
存在者“森罗万象”之万有也。按实际说，人的认识可由近及远，由此及彼，由浅入深，由简而繁，由部分求知整体，由分析而知综合。但人类可能认识的整体和综合都是有限的，时空有限，质项也有限。对宇宙的局部求知是科学力所能及的事。如果宇宙是无穷的，则由有限数的有限局部不能构成宇宙。于是纯科学的宇宙学就不存在。即便宇宙是有限的，但因无其外的任何存在，则对整体宇宙这个特殊对象来说，也无以进行科学必需的任何比较。无比较即无度量，无度量则无所谓数，因而也无以立出方程式以及任何运算，又何谈数学和物理学，何谈科学?故天体物理学家们所能处理的宇宙学命题实际上还是在宇宙之下的命题，而哲学的宇宙学则是在物理学之上的命题，或套用亚里士多德著作的中译词，是个“形而上”的命题。20世纪德国哲学家杜林说：“包罗万有的存在是**的。”这是一条大有深意的判断，不是三言两语即可为之褒贬的。所谓“多元宇宙”概念是无理的。有人把“多维空间” 曲解为多个空间，以解释神秘的超距移物，这是不知维只是空间属性，而不是空间。
现实的宇宙学，也就是人们正在研究操作着的宇宙学，是由对可观察的有限时空的科学研究向外扩展直指无限时空的求知。现实宇宙学有三大命题：
(1)终极分析的物理学，即研究构成宇宙的基本物质要素及其运作方式的命题;
(2)由信息联成一体的宇宙现象，如生命和人与宇宙的关系;
(3)总体时空中的存在的演化，它是前两项的根据和表现。
第一个命题是一般的求知。物理学是分析地认识外在世界，由近及远，由浅入深。物理学家好像爱拆玩具的儿童，要把宇宙像玩具一样拆开来看;第二个命题是从认识自我走向复杂综合，好像父母把孩子拆散的玩具重新组装，不组装就不成玩具，不综合就不能认知真实宇宙，而认识宇宙是为了寻求自我的*大自由;第三个命题是前两个命题的超越延伸，是从有限的认知向着无限扩展，追求从总体上了解现实存在的来龙去脉，生灭兴衰，是要从动态上更深化对前两个命题的认识。这个命题属于哲学。这三大命题构成广义的宇宙学，其实质几乎涉及全部的自然科学和哲学。现代物理学以牛顿力学(或再加上狭义相对论) 和量子物理学解决第一题，正在以非线性非平衡物理学(或复杂性系统论) 进入第二个命题的基础领域，企图以广义相对论(或尚未完成的量子引力论) 解决第三个命题。几乎无人涉及中国古代的“天心天意”，如果说那些思想是神秘主义而不是科学，就有人会问：以信息为主角的宇宙级现象是没有还是不重要?宇宙学能局限为一种物理学吗?宇宙或大尺度时空只有简单的分析性存在吗?
牛顿与爱因斯坦两家学术的哲学异同主要在于时空因果的概念。时空之用，或其意义，在于那是描绘总合体系状态的参数。牛顿说时空应脱离物质而独立，当然不对，爱因斯坦否定了牛顿的绝对时空。但若如相对论那样，只说每一动体各有自己的时空坐标系，则异动各体就失去了共立关系的交互表述形式。况且人们只能用互动多体组合构成时钟和尺，于是测量的合法性就成了难题。爱氏宇宙模型的陈述实际上又回归到绝对的或全宇宙共和的时空概念。实际上，爱因斯坦*初发表相对论的文章所用标题已经*准确地规定了相对论时空的适用范围——“运动物体的电动力学”。
一些物理大师(如几位诺贝尔奖得主) 要求由物理学解答“时空是什么?”这本是哲学问题，不属于科学。物理理论用数学表述，写出各种以时空为自变量的函数。如果时空又被写成函数，以什么作变量?实验不见得是虚无的神秘概念。用已有的物理量作自变量，则成演绎逻辑的循环论证，那就把物理理论的大厦搞垮了。
广义相对论只把欧氏几何“距离”(表述为宇观的微分量ds)的各分量(包括时间量和空间量：dt、dx、dy、dz)的平方乘上与质量有关的函数系数，组合为非欧几何学“距离”的平方，而那些欧氏时空变量仍是自变的。
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