 放大圖片
文：李澤銘
首次訪港的物理學大師史提芬．霍金（Stephen Hawking）今日在香港科技大學舉行一場公開講座，題目是「宇宙的起源」。霍金對統一20世紀兩大物理學基礎理論—廣義相對論（General Relativity）和量子力學（Quantum Mechanic）作出重大貢獻，被譽為繼愛因斯坦後最傑出的物理學家之一。
霍金來港受到各界的高度關注，除了會和特首曾蔭權「聚餐」之外，講座更是萬眾期待，據悉門票早被索取一空。為了讓取得門票的讀者在進場前多了解一些背景資料，本版特別簡要回顧近代關於宇宙起源的學術討論，以資參考。
宇宙起源在西方宗教和哲學界一直都是爭論不休的問題，許多早期的宗教，以及猶太教、基督教和伊斯蘭教等均認為宇宙的創生相當接近現代。17世紀時，鄔謝爾主教把在舊約聖經中人物的年齡加起來，計出宇宙誕生日期是西元前4004年。以阿里士多德為代表的一眾古希臘哲學家，則寧願相信宇宙自古已存在。
具有現代科學意義的宇宙起源理論可追溯至19世紀30年初期，德國醫生奧伯斯（Olbers）從一些簡單的觀察中得出宇宙不是處於穩定狀態的假設。他從星與星之間的夜空黑暗無光，推論宇宙中星球的數目有限，而星球之間的萬有引力將把它們之間的距離縮小；又或者基於不明原因，萬有引力被抵消，使星球間的距離加大。但由於當時天文觀測技術「相對」落後，假設缺乏實質證據支持，未能引起科學界的注意。
愛因斯坦的執著
轉眼間，故事發展到20世紀初，當時的科學界仍普遍相信宇宙處於靜止不動的穩定狀態。1917年，愛因斯坦發表震驚科學界的廣義相對論，一些科學家隨即發現相對論的公式包含宇宙不穩定的結論。但愛因斯坦為了堅持自己的宇宙觀，「畫蛇添足」地在方程式中加進一個常數，以抵銷宇宙不斷膨脹或收縮的可能性。
愛因斯坦等科學家的平衡宇宙論暗含對創世的否定，引起一些宗教人士的不滿，受過神學訓練的比利時數學家勒梅特（Lemaitre Georges）在1927年提出一個影響至今的「大爆炸宇宙論」的雛形。他形容宇宙的物質集中在一個超原子的「宇宙蛋」中，「畫蛇添足」地在一次大爆炸中分裂成無數碎片，形成今天的宇宙。勒梅特基對於科學和信仰的熱情，甚至找愛因斯坦當面辯論，結果當然是各說各話，誰也說服不了誰。
一個令愛因斯坦心服口服的人物在1931年終於出場─美國天文學家哈勃（Edwin Hubble）利用當時最大的200吋光學天文望遠鏡，發現星系的紅移現象（red shift）─距地球較遠的星球或星系射到地球的光比離地球較近的星球所發出的星光較偏向紅色，意味著宇宙正在膨脹，星系間相互遠離。自此，科學界不再懷疑宇宙膨脹的事實，轉而研究膨脹的情形。
奇點與背景輻射
1948年，俄裔美籍物理學家伽莫夫（George Gamow）等人改良了勒梅特的理論，勾畫出宇宙由一個細密熾熱的奇點（Singularity）大爆炸後，經一系列元素演化到最後形成星球及星系，並預期宇宙自大爆炸產生後一定會留下某種痕跡，並可在太空中找到殘留的背景微波輻射。當宇宙不斷膨脹時，這種輻射波跟著膨脹，宇宙的溫度將不斷下降。
1965年，美國貝爾實驗室（Bell Laboratory）的科學家阿奴．彭茲雅（Arno Penzias）和羅拔．威爾遜（Robert Wilson），用一種天線裝置測量銀河系的電波時，記錄到很多雜音。他們當時不知道伽莫夫的理論，以為天線有毛病。但檢查天線，確保無誤後，雜音仍存在，並且從各個方向測量的結果都一樣。這種雜音的強度轉換成溫度後是3K(-270℃)。在偶然機會下，一群以狄克（R.Dicke）為首的美國普林斯頓大學物理學家得知貝爾實驗室的研究結果，認為是他們一直尋找的太空微波的有力證據，並將結果發表在天文物理學報上。這發現震驚世界，彭茲雅等人在1978年同獲頒諾貝爾物理學獎。
趕上大時代的霍金
證實宇宙背景微波輻射後，大爆炸理論在學界大行其道，這時終於到霍金出場。當時他還只是劍橋大學一名博士研究生，據他的自述，當時他極需一個論文題目，剛巧兩位俄國科學家提出一套與奇點大爆炸論相悖的學說，認為星系還可能具有一些側向速度，早期宇宙收縮時，星系雖然曾經非常靠近，卻能避過互相撞擊，然後宇宙再度膨脹。這樣宇宙不必通過一種無限的密度的狀態，亦即不必存在一個奇點。
是否存在大爆炸奇點的問題對於理解宇宙起源關係重大，引起了霍金的興趣。1971年，他和羅傑．彭羅斯爵士（Sir Roger Penrose）發展出一套數學工具，證實了第一套奇點理論。他們指出，如果廣義相對論正確，任何合理的宇宙模型必須起始於一個奇點。當然，霍金也表明科學只能夠斷言宇宙必須有一個開端，但科學不能斷言宇宙應如何開始。科學在這終極問題上與宗教並無衝突。
霍金繼續修正大爆炸宇宙模型，認為一個小型黑洞會伴隨大爆炸而產生，自此結下與黑洞的不解緣。其後，霍金連同布蘭登．卡特（Brandon Cater）和占士．巴丁（James Bardeen）合力提出類似熱電學的四則黑洞力學定律（four laws of black hole mechanics）。1974年，他在《自然》雜誌上發表論文，闡述自己的嶄新發現，認為黑洞除了無止境吞噬物質，還會釋放亞原子粒子（Subatomic particle），他稱之為「霍金輻射」（Hawking Radiation）。這發現把當代物理學的進程大幅推前，而這篇被譽為「物理學史上最深刻的論文之一」的作品更奠定了霍金的地位，直接導致他在1979年被委任為劍橋大學盧卡遜數學教授──一個曾由牛頓和狄拉克（Paul Dirac）擔任的榮譽職位。
大師走上前台
霍金的學術成就雖然早已確立，但直到1988年他的科普著作《時間簡史：從大爆炸到黑洞》（A Brief History of Time：from the Big Bang to Black Holes）發行，他的名字才響徹全球。在書中，他從最拿手的黑洞出發，探索宇宙的起源，以及時間的開端和空間的邊界。該書的暢銷程度可說是科普書之最，至今被翻譯成40多種文字，售出超過1,000萬冊。《時間簡史》的延續篇《核桃中的宇宙》（The Universe in a Nutshell）在2001年出版，對宇宙的討論更為深入，可惜反應遠遜前作。
眾所周知，霍金早在研究院時期已被診出患有肌萎縮性脊髓側索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS，俗稱葛雷克氏症），長期在輪椅上生活，現在更只剩下右手兩三隻手指可活動，靠聲音合成器與人溝通。很多醫生都驚嘆霍金生存是一項奇蹟，但他並未因身體的不幸而自暴自棄，拒絕向命運低頭，還積極研究，成為多人心目中的鬥士。
隨著大爆炸到達黑洞，霍金也從幕後走到台前，周遊列國，出席講座，試圖通過淺白通俗的書籍及演講，將自己一套宇宙觀推廣給普羅大眾。
最後順帶一提，宇宙起源、黑洞和時空等問題畢竟是非常複雜深奧的科學問題，現存的爭議仍許多。現存多個解釋宇宙誕生和演化的理論，很多都言之成理，但由於實驗的進程大大落後，所以無法證實。霍金對於宇宙的理解雖是行內最普遍的說法，他亦會盡量以最淺白語言講解，但要聽者首次碰到相關題目即能完全明白，應該不太可能。
霍金的著作雖然暢銷世界，但認真閱讀而又明白者可謂百中無一。《紐約時報》等外國傳媒曾指不少讀者不過是慕名購買，回家後長期放在書架上。今天有幸出席霍金講座的讀者，不要給予自己太大壓力。離開科大時一頭霧水也不要緊，能一睹大師風采也是一種榮幸！
|
放大圖片
