霍金:進退維谷的宇宙,奇點的爆炸 (01/08)

撰文:
最後更新日期:

作者|01哲學團隊

 

不知道你有沒有試過在幽靜的晚上,抬頭仰望漫無邊際的星空呢?你又有否驚奇世界竟然存在,而不是甚麼都沒有呢?如果世界竟然存在,當然世界是存在,那麼世界,乃至於整個宇宙誕生的原因是甚麼呢?雖然基督宗教堅信宇宙是上帝從無中創造出來,但仍然不能滿足人們的好奇心。事實上,在羅馬帝國晚期時,就有摩尼教徒質問教父奧古斯丁,全能的上帝的尚未創世時,它正在做甚麼?若果時間是隨世界一道由上帝所造,那世界尚未被創造之前,難道存在一個沒有時間的時刻?

 

奧古斯丁:教父哲學 - EP15

 

1942年的今天,上天為人類帶來了史提芬・霍金(Stephen Hawking)。他不單對宇宙大爆炸論(the Big Bang theroy)與黑洞研究有巨大貢獻,他亦致力推動科學普及(科普),降低宇宙論的門檻。霍金認為大爆炸前不存在甚麼,包括時間,時間在他看來,是隨同宇宙在大爆炸後一同誕生的,所以人們可以問,大爆炸距離我們至今有多長時間,但不能問大爆炸在甚麼時候發生。

不過自古天才多遭天忌,很不幸,他在年輕時就患有「漸凍症」,病情隨著歲月不斷惡化,最終於2018年3月14日離世。縱使霍金半生時間都全身癱瘓,不能發聲,必須坐在輪椅上移動、依賴語音合成器來與其他人通話,但這亦無阻他探索宇宙邊界與時間起源,並向大眾表達自己的科學見解。

 

年輕時的霍金與妻子 Jane

 

霍金在年輕時已經表現出驚人的智力,對於他而言,大學的功課和課程簡直易如反掌,甚至他在進入劍橋大學面試時,在座的大多數面試官早已深知對面那個小伙子比他們聰明得多。最後他亦如願以償,得以進入劍橋大學研習宇宙物理學。在1970年代,他重返劍橋大學任教,致力於大爆炸與黑洞、統一量子力學與相對論的研究。在1984年,他決心寫一本大眾都可以看得明白的科普著作——《時間簡史:從大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes),這本書使本來深奧難懂,完全超出日常人們感官經驗範圍的量子力學和相對論得到廣泛的理解,霍金同時將這兩門學問結合宇宙大爆炸論,更使人們了解量子力學和相對論的重要性。在這本書之後,霍金可說成為科學界的明星了。

 

《時間簡史:從大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes)

 

大爆炸因何而起

霍金對於宇宙大爆炸論的研究,應該是他思想中最廣為人知、最引人入勝的一面。大爆炸導致了宇宙的誕生,人們根據散落在宇宙周圍的一些跡象,證明宇宙正在膨脹,並回溯地推論出從前的宇宙應該是一個非常小、溫度極高、質量極大的奇點(the singularity)。宏觀宇宙是古典牛頓力學解釋止步的地方,因此我們要轉向廣義相對論的體系。不過假若人們要研究引起大爆炸的那個奇點,其實相對論也恐怕無用武之地,因為奇點極其細小,因此我們更需要量子力學這門研究微觀事象的科學。就在這點上,霍金希望把相對論和量子力學統一起來,不過這個任務非常困難。

 

坊間對於黑洞與奇點的示意圖

 

事實上,霍金版本的大爆炸理論,主要建基在宇宙膨脹這項發現之上,而有一個重要科學發現支持了宇宙膨脹的觀察。上世紀二十年代,美國著名天文學家哈勃(Edwin Powell Hubble)發現大多數星系都有遠離的現象。具體來說,當行星向地球移動時,行星所發出的光頻率會升高;當行星離地球而去時,行星所發出的光頻率會下降。所以當行星向地球移動時,行星看上去會發出藍光;而行星離地球而去時,行星看上去會發出紅光。因此,人們則能根據「紅移」和「藍移」兩種現象來判定行星的移動和距離(這稱作多普勒效應,Doppler effect)。如今,人們利用天文望遠鏡等設備能發現星系的「紅移」現象,就能夠判定宇宙正在膨脹。我們也可以用氣球作說明:假設一個尚未吹脹的氣球,它的表面上有多個黑點,一旦你慢慢吹脹氣球,氣球表面上的黑點之間的距離便會增加,這就很好地說明了宇宙膨脹和星系遠離是怎樣一回事。

 

氣球類比示意圖

 

進退維谷的宇宙

宇宙膨脹理論為宇宙起源自大爆炸提供有力的證明,或許有人會高興找到這個原點。然而事實上,人類正在面臨一個頗為尷尬,甚至可以說是進退維谷的局面:根源牛頓力學,物與物之間應該有引力關係,即一物會因為自身的質量,而產生出一種引力,把周遭其他的物吸住,甚至拉過來;但宇宙除了引力外,還存在斥力。於是星系之間是漸行漸近,還是彼此遠去,都是引力和斥力之間的拉鋸戰。

如果斥力佔據上風,宇宙就會不斷膨脹,星系就會彼此遠去,到最後可能行星和它的星系會遠離,地球和太陽就會愈來愈遠,換言之,地球會失去太陽的光照,而面臨黑暗。但如果引力佔上風呢?情況就不太妙,因為這會導致所有星系都會被拉在一起,而縮回原來宇宙大爆炸時的那一個細小的奇點。所以說,是進還是退,都非常尷尬。不過話說回來,是進還是退,好像又不是我們所能決定,所以我們還是寄望未來的科學發展吧。

 

 

【本文得到 Godfrey Leung〈霍金O 嘴系列: 乜宇宙大爆炸論係我發表嘅咩? sosad〉一文指正,在此表謝。】

 

 

《01哲學》,哲學入門,深入淺出,更好地理解,更好的邏輯。
立即下載《香港01》App:https://hk01.onelink.me/FraY/hk01app



X
X
請使用下列任何一種瀏覽器瀏覽以達至最佳的用戶體驗:Google Chrome、Mozilla Firefox、Internet Explorer、Microsoft Edge 或Safari。為避免使用網頁時發生問題,請確保你的網頁瀏覽器已更新至最新版本。