从哲学走向科学的宇宙学

网友“基础物理领军者”在“事物认识和测量的三个原理”一文的留言中写到:”我有个女同事这样对我说:“你有钱又怎么样,又不给我花,我老公没多少钱,但全部给我。”这句话也同样适用于光电效应实验,光的强度再强,也只能增加金属分子振动的振幅,也就是增加金属的温度,光波的频率只有达到和电子产生共鸣时,才能增加电子振动的能量,使得电子从金属表面逸出。如果入射电磁波的频率过高了,电子也接收不到,直接穿透金属了。”

我在给网友的回复中写到:“您对光电效应的科普解释贴切而精妙,有种妙不可言的“读后感”,我补充一点“买房那些事”的不恰当类比,工资性收入和财产性收入达到房价水平时,购房者才买得起房,否则,无论是高强度的劳动、还是低强度的劳动,他们都买不起房,有些人劳动了一辈子也没能买下一套房。为了买到一套大城市的房产,年青人除了增加劳动收入以外,通常要依靠父母一代的无偿相助,这无疑影响了年青人学习和探索科技的热情。您对光电效应的理解和解释比我好,但我对科学和科学史包含的哲学问题有非常独到的认知。一个人的能力是相当有限的,但我效仿了哲学导师马克思的研究策略和方法,集中人生有限的精力,仅研究一、两个最基本的科学哲学原理。”

什么是科学哲学的等效原理?举例说来,人们既以寻找最古代恒星的方式追溯宇宙的起源和极早期状态,也以寻找背景辐射的方式探究宇宙的开端和极早期特征,寻找最古老恒星和寻找最久远辐射的两种方式符合科学哲学方法论和宇宙哲学溯源论的等效原理。2020年5月,天文学家在银河系发现了一颗与宇宙年龄几乎相同的古代恒星,它是一颗距离地球3.5万光年、被命名为SMSS J160540.18—144323.1的红巨星,澳大利亚国立大学的天文学家解释说,它可能形成于宇宙大爆炸之后的几亿年。极早期宇宙几乎不含有金属元素,而由“非金属元素”——氢、氦和微量锂元素形成的第一代恒星几乎不含铁一类的金融元素,第一代恒星和极早期宇宙非全属元素的物质构成符合科学哲学成份论的等效原理。SMSS属于宇宙的第二代恒星,第一代恒星以超新星暴的方式抛出了铁一类的金属元素,第一代恒星释放的金属物质“污染”了第二代恒星,SMSS是一颗贫铁恒星,其铁元素物质的含量仅为太阳铁含量的150万分之一,而铁含量更丰富的太阳已是宇宙的第100代恒星。

天文学家之前在银河系发现了最古老的恒星2MASS J1605040.18—144323.1,它的金属含量仅为太阳的11750分之一。宇宙大爆炸之后出现的第一代恒星由非金属元素的氢、氦和微量的锂元素组成,比氦更重的“金属元素”则通过恒星内部的核聚变反应产生,这些金属物质随大质量死亡恒星的爆发或超新星暴的剧烈方式在太空中散播,宇宙中的金属物质随一代代恒星的演变而逐渐增多,太阳可能承接了上百代超新星散发的金属物质。从SMSS到2MASS,从2MASS到太阳,金属元素的含量呈现代际增加,反之,则呈现代际减少。科学哲学等效原理在这里指的是,天文学家越是发现铁一类金属元素含量低的恒星,他们越是发现了更古老的恒星;越是发现了银河系内外更古老的恒星,越是回到了更早期的宇宙状态。

1964年,贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊在微波通讯实验中意外地发现了以“背景噪音”形式出现的宇宙微波背量辐射,以精确的辐射测定证实了从宇宙大爆炸理论推论的一项预言。在“创世纪”的宇宙大爆炸初期,量子宇宙密布了由氢离子、电子和光子组成的极高温、极高压“原始羹汤”,随着极早期宇宙在暴涨过程中的快速冷却,等离子体羹汤中的氢离子和电子在电磁力作用下结合为中性氢原子,光子失去了“光电效应”作用,它们在宇宙中相当自由地穿行,“光子退耦”使得宇宙从混沌变得透明,宇宙物理学家将宇宙大爆炸后38万年出现的宇宙透明或光子退耦事件称之为宇宙背景辐射,它是宇宙大爆炸遗留的辐射,背景辐射在年龄大约为138亿年的今日宇宙已转变为温度为3K的背景黑体辐射。科学哲学等效原理在这里指的是,越是接近绝对零度、极低平均能量的背景黑体辐射,越是接近今日宇宙的状态,反之,越是接近数亿摄氏度、极高平均能量的背景黑体辐射,越是接近极早期宇宙的状态,通过“回望”极高平均能量的宇宙背景辐射,我们得以了解宇宙非同寻常的早期特征。

古老恒星和古老宇宙背景辐射都包含早期宇宙特性的“指纹”,以古老恒星和以古老辐射研究宇宙大爆炸和早期演化的不同之处在于,古老恒星包含了早期宇宙元素的“化学指纹”,而古老背景辐射包含了早期宇宙热辐射的“物理指纹”,或者以元素含量的变化方式研究早期宇宙的状态,或者以热辐射强度、波长的变化方式研究早期宇宙的活动,两种天体化学和天体物理学的研究方法符合科学哲学对应论的互补原理或互补论的对应原理。为了寻找宇宙大爆炸发生的证据和线索,天文学家开辟了“天文考古学”的研究路径,或以古老和最古老的恒星、或以古老和最古老的辐射为观测和研究的对象。背景辐射就在“我们头顶的天空”,而古老恒星分布在大约10万光年直径的银河系和数十亿、上百亿光年的遥远星系。寻找金属元素贫乏的古老恒星难上加难,好像在一大堆干草中拾取一根遗落的细小锈衣针。天文学家在古老恒星和古老辐射中找到了宇宙大爆炸的证据,现代宇宙学从抽象的哲学走向了精确的科学。

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