就像哈勃是现代观测宇宙学的奠基人一样，爱因斯坦是现代理论宇宙学的奠基人。√爱因斯坦在1915年发表了多篇论文，搭建起广义相对论的“骨架”，标志了20世纪这一划时代理论的诞生。1916年，爱因斯坦发表题为《广义相对论基础》的论文，这是一篇完整地解释广义相对论的文章，该文总结了在1905年发表狭义相对论之后的大约十年时间对这一理论的研究成果。1916年的年底，爱因斯坦写了一本普及版的小册子《狭义与广义相对论浅说》。1917年，爱因斯坦将广义相对论应用到宇宙学的研究，发表了具有里程碑意义的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》，这篇论文的发表标志了现代宇宙学的诞生。现在，“浩如烟海”的书籍、杂志、报刊资料、数以万计的研究论文、评论文章和文摘以“大同小异”的方式探讨了广义相对论与现代宇宙学的问题。作为理论物理学家的爱因斯坦不是为了理论而理论，他在广义相对论中将引力解释为在大质量周围的时空发生弯曲的结果，仅仅在发现广义相对论之后的两年，他就尝试将整个宇宙“收纳”到“新引力论”的框架中，可以说广义相对论是“骨架”，宇宙学是“血肉”。既然广义相对论“颠覆”了牛顿的经典力学，那么广义相对论框架下的现代宇宙学必然“颠覆”牛顿的经典宇宙学。本作者一直在想为什么宇宙学成为了物理学家的“最爱”？甚至成为哲学家的“偏好”？也许解释自然奥秘是人类的一种本性，作为一种整体性自然的宇宙必然得到物理学家和哲学家的“厚爱”，每当我们思考人与社会的时候，必然联想到人与自然的“物质基础”。

本作者在广义相对论框架下的现代宇宙学诞生一百周年的时候，能够在现代宇宙学的课题上提出什么有新意的见识？我们知道，2015年是广义相对论发表一百周年的年份，2017年则是现代宇宙学诞生一百周年的日期，爱因斯坦在一百年前的1917年根据广义相对论对宇宙学进行了一次开创性的研究，提出了“宇宙学原理”，在静态的宇宙结构中引进一个“宇宙学常数”。爱因斯坦是现代宇宙学的开创者、引领者，或者说是现代宇宙学的始祖，在1917年之后，哈勃在1929年发现了宇宙的膨胀。弗里德曼在1917年用爱因斯坦的场方程导出了宇宙膨胀的“方程解”。伽莫夫构建了宇宙膨胀的“大爆炸模型”、或宇宙学的标准模型。1965年，两位工程师彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射，第一次证实了伽莫夫的理论预言。古斯在1981年提出了宇宙暴涨理论，进一步完善了标准宇宙学的内容。加州大学和澳大利亚国立大学的天文学家在1998年通过观测超新星，发现了宇宙的加速膨胀。进入21世纪以来，现代宇宙学的发展势头仍然强劲，充满了许多不确定性的因素，作为一个有趣的对比，2017年，在全球化的背景下，世界经济同样充满了不确定的因素。不用怀疑目前的现代宇宙学充满了各种变数，在专业的和非专业的宇宙学家之间展开着有时轻松、有时激烈的争论，同样，我们不用怀疑目前的世界经济和全球化进程充斥着各种不同的声音，我们希望看到从全球化发展中催生的人类利益共同体概念能够帮助不同国家、不同民族、不同社会阶层的人们达成更多的共识。

可以将广义相对论“简明扼要”概括为：物质“告诉”时空如何弯曲，时空“告诉”物质如何运动。爱因斯坦由此设想，既然从给定的物质中能够判断时空的弯曲，那么假设我们知道了整个宇宙的物质数量，能不能判断整个宇宙的形状昵？历史上的神学家和哲学家只是“空谈”宇宙的形状、或宇宙的几何性质，爱因斯坦在科学史上第一次尝试将人类对宇宙形状的认知建立在物理学和数学的基础上。怎样将广义相对论的场方程从太阳系的尺度应用到宏大的宇宙结构上，或者说不是将太阳系的质量、而是将宇宙的质量带进场方程的引力计算公式中，这需求假设宇宙中物质分布的对称性，就像球体的行星和恒星中的物质呈对称性的分布一样，自然中的物质分布只是近似于一种对称分布，一般说来，物质分布的尺度越大，对称性的特征越明显，为了简化宇宙中物质分布的模型，爱因斯坦引进了“宇宙学原理”，这一原理指的是宇宙物质分布在大尺度上是均匀和各项同性的，只有引进了宇宙学原理，爱因斯坦的场方程才能具体化，才能求解。不能将这一原理看成是“纯粹理性”思维的产物，天文学多方面的观测提供了物质分布均匀性的客观证据。现在的宇宙观测能够证实爱因斯坦给出的“宇宙学原理”，在数亿、数十亿光年的尺度上，宇宙中的物质分布看起来是均匀、各向同性的，或者说在同样的体积内含有同样数量的物质。

本作者将“宇宙学原理”理解为一种等效原理，或者说宇宙大尺度的物质分布符合宇宙哲学的“等效原理”，比如：我们在北半球和南半球的天空各选取一个数亿、数十亿直径的太空区域，“北太空”和“南太空”区域中的星系质量基本相等，但是，两个区域所包含的星系种类和个数不一定相等，不能说“北太空”含有一个银河系，“南太空”也含有一个完全一样的银河系，因为宇宙中的银河系是唯一的，就像我们的大气质量越来越恶化的地球是宇宙中的唯一一样。考虑到在牛顿力学和狭义相对论的研究中，牛顿和爱因斯坦分别得出了引力质量等于惯性质量，引力和惯性力的关联符合“等效原理”，因此，本作者尝试将“宇宙学原理”理解为“等效原理”，可以称之为“宇宙学等效原理”，或者说“宇宙学原理”是宇宙学概念的称呼，而“宇宙学等效原理”是宇宙哲学概念的称呼。对宇宙大尺度物质分布的等效性可以进行形象性的解释，比如：设想在杭州钱塘江畔的“莲花”体育中心举办一次世界杯级的足球比赛，如果进场的人数少，观众“稀稀拉拉”地坐在看台上，那么观众在看台上的分布不均匀，我们甚至能看见个别观众不是在看比赛，而是在“嗑瓜子”，因为吃瓜子不是在“打发时间”，就是在“放松心情”；如果进场的人数多，观众“齐刷刷、齐刷刷”地坐在看台上，那么观众在看台上的分布近乎均匀，我们很难在数万人的观众中看到一个“嗑瓜子”的人。比如：我们在“光污染”严重的夜空只能看到少量的星星，不会认为“东一个、西一个”星星的分布是均匀的，如果我们在一个没有空气和光污染的“最佳观星点”去欣赏美丽的星空，繁星点点的夜空会让我们相信星星的分布大体上是均匀的。

爱因斯坦心目中的“等效原理”只有一个，即：一个引力场的惯性系和一个加速运动的非惯性系之间表现为等效关系，如果这个引力场是均匀的，各点的引力场强度相同，那么可以用“弱等效原理”来描述；如果这个引力场是非均匀的，总可以找到一个局部均匀的引力场，使得等效原理保持不变，那么可以用“强等效原理”来描述。即使爱因斯坦没有将“宇宙学原理”理解并描述为宇宙学的一种“等效原理”，我们在宇宙哲学的“解构”上还是将这一原理看成是一种等效原理。就像爱因斯坦在狭义相对论中将光速不变原理看成是“公理”、或“公设”一样，他在宇宙学的研究中也将宇宙的均匀性看成是“一个前提”、或一个“先决条件”，也许光速的不变性只是非常近似的，就像宇宙物质在大尺度的分布上表现为非常近似的均匀性一样。可以预测宇宙大尺度的均匀性，但是这一原理得到了现代天文观测的证实，宇宙大尺度的均匀性不是从广义相对论中推导出来的，相反，将广义相对论应用到宇宙模型的建构时需要运用这一原理。在这一原理的指引下，爱因斯坦将宇宙物质解释为宇宙的平均能量密度，由于物质的对称性分布，他将宇宙的形状理解为一个理想的球体，均匀分布的物质必然将宇宙的形状弯曲为一个理想的球面，这个球体必须足够大，否则宇宙物质均匀分布的“公理”就会打上折扣，经过“抽象化”处理的宇宙在面对场方程时只剩下两个未知数，即：宇宙的半径和宇宙的平均能量密度。不是每一位科学家和科学爱好者都相信宇宙物质分布的均匀性以及宇宙的形状是一个近乎完美的球形。本作者只是将“宇宙学原理”中的等效性“挖掘”和提炼出来，算是表达对现代宇宙学诞生一百周年的一点纪念之心。

（邓如山2017-1019&160;邮箱：[email protected]&160;）

(Fromthephilosophyof“equivalenceprinciple”toexpinmoderncosmology)

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