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文：李澤銘
上星期的「霍金旋風」席捲香江，完成一場廣受好評的公開講座後，現已北上神州，繼續科普推廣的使命。霍金以「宇宙的起源」為題，闡釋大爆炸理論的發展歷史，簡介標準架構的內容，結尾更提出幾點未來研究的大方向。可能受演講時間所限，霍金對於宇宙起源的核心理論「大爆炸」的解釋過於簡略。本報上一期視野版（請參閱 6月 15 日D3 版）已討論過大爆炸理論下的宇宙演化過程。為了延續因霍金而起的這股「科普熱」，本報特意專訪本地著名天文學家、中文大學物理系教授朱明中博士，探討大爆炸理論面對的挑戰，以及現今最新最前沿的研究方向。
視界問題（ Horizon problem ）
自上世紀70年代，大爆炸的標準宇宙模型被解後，視界極限在一段時間內是無法解釋的問題。根據狹義相對論（special relativity ），任何訊息的傳播速度無法超越光，所以對宇宙中每一點而言，都存在一個極限的溝通距離，可想像為三維空間中的一個圈，在圈以外的所有變化皆不能對該點構成影響。
宇宙在大爆炸後隨時間膨脹，物質由緊密聯繫，因果互倚，漸漸疏遠到互不相干。然而，從觀測微波背景輻射所得，離地球任何方向的輻射強度都是3K。問題就出在這裡，既然距離遠至無法相互影響，為何在背景輻射上出現相同的演化結果。情形就如距離地球東面最遠的訊息極限為A，西面為B，A與B之間相距兩倍的訊息極限，照理應無法互為因果，但從地球所觀測得的AB兩點的微波背景輻射卻是一樣。
解答：
視界問題曾一度困擾大爆炸論支持者，但只要在演化過程中加入宇宙暴脹（Cosmic Inflation），這問題應該能得到完滿的解答。暴脹是指在現時宇宙的膨脹情況之前出現過一段極度急速膨脹的階段。雖然我們無法直接觀測宇宙暴脹，因為我們不能「看見」百幾億年前發生的事情，但透過一些間接的證據，例如美國太空總署的威爾金森微波各向異性探測器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ）和宇宙背景放射探測器（ Cosmic Background Explorer ）所觀測的天文現象與暴脹理論相當吻合，我們大致相信暴脹期的確曾出現。
球狀星團的年齡（Globular cluster age ）
科學界對球狀星團的研究在上世紀90年代中期出現與大爆發理論互相矛盾的結果，天文學家普遍認同大爆炸在137億年前發生，但有科學家的研究發現部分球狀星團的年齡達150億年，比宇宙還老。有人指出這明顯是兒子較父親年長的悖論。
解答：
球狀星團的年齡主要靠星球演化的理論推測所得，並不是直接觀測的結果，所以不存在觀測否定理論的問題，只可以說星球演化理論與大爆炸理論在某方面仍未能協調。星球演化理論的架構雖已被確立，但有些細節暫時還不太清楚，而應用在球狀星團的年齡計算上，更出現許多爭議。因此，我想現時應該沒有多少物理學家相信球狀星團年齡達150億年的研究結果。
物質不守衡（ Matter asymmetry ）
在普遍的概念裡，宇宙應該是均勻和對稱。物質由能源轉換而成，熾熱年輕的宇宙冷卻，物質（matter）誕生的同時，應該有同等數量的反物質 (anti-matter) 被製造。然而，一直以來的觀測顯示，物質的數量遠超反物質，大爆炸理論對於這難題可謂束手無策。
解答：
這是暫時未能解決的問題，但也未必與大爆炸有直接關係。沒錯，如果把大爆炸看成為「無中生有」（大部分科學家未必認同），很粗疏的想法是宇宙初期到處充滿能源，由能源轉變成物質應該是一對對，有物質就有反物質，互相對稱。所以表面上與大爆炸相矛盾，因為我們只見物質，不見反物質。但有一些情況下，物質的對稱性會被破壞。其中，最出名的可數 CP-violation ， C 指電荷共軛 (Charge Conjugation) ，而 P指宇稱 (Parity)。
順帶一提，P 就是楊振寧和李政道的諾貝爾獎得獎傑作──宇稱不守衡定律，在弱作用力（weak interaction ）中，我們發現到物質與反物質不守衡的情況。所以，問題的根本並不在於物質不守衡否定大爆炸，而是在於我們怎樣完善這套CP-violation 的理論，以符合大爆炸的理論架構。
均勻度問題（Flatness Problem）
根據標準大爆炸理論的計算，當宇宙膨脹時，物質間的萬有引力會阻止膨脹繼續。萬有引力的大小由質量決定，若宇宙存在足夠物質，則膨脹到一個地步後便開始收縮，漸漸倒退至大爆炸前的奇點（Singularity），這過程稱為「大崩盤」（Big Crunch）。相反，如果宇宙間的物質不足夠，空間將不停膨脹，溫度持續下降至「大寒冷」（Big Chill）。
宇宙的膨脹速率與真實密度間的比例由一個稱為Ω的常數決定，若Ω大於1，宇宙傾向封閉型（Closed Universe），最終導致「大崩盤」；若Ω小於1 ，宇宙傾向開放型（Open Universe），導致「大寒冷」出現；若Ω剛剛等於1，宇宙將保持平衡（Flat Universe ），不膨不縮。Ω的實際數值至今仍未被準確測得清楚，只知它非常接近1。在大爆炸初期，只要Ω稍微偏離1，無論是大於還是小於，「大崩盤」或「大寒冷」應該早已出現，為何宇宙到今日仍然這麼平坦。
解答：
這本來不是甚麼大問題或大矛盾，只是物理學家對Ω這個數值感到不太舒服，從0至無限這麼多數字，為何自然界會偏偏選擇1還要選擇得那麼完整。當以往大家都認為宇宙是逐步膨脹的時候，只要Ω在開始時偏離1少許，它很快便會大幅改變，經歷這137億年的漫長演化期，宇宙絕對不會是現在的模樣。但當大爆炸理論中引入暴脹期的概念後，這個問題已經得到完滿的解決。暴脹期間，Ω能保持原值進入正常膨脹期，因此它沒有必要完全等於 1，宇宙也能成為現在的模樣。
大爆炸地位超然
朱明中指出，大爆炸在學界植根多年，已廣為科學家接受，暫時亦沒有另一套理論能挑戰其地位。大爆炸理論的中心思想，即宇宙大約在137億年前，由一個很細、很熱，以及密度很高的空間，經膨脹成為今日的模樣，這個描述相信沒有人會反對。但在細節上仍存在爭議，如膨脹的速率、星系形成的時間，以及暴脹期間是暴脹了一次還是多次等等。
大爆炸理論讓我們了解宇宙自創生至今的情況，照理也能預測未來的發展，以致最終的歸宿。然而，自從暗物質和暗能源在上世紀90年代被發現後，宇宙的未來就變得撲朔迷離。
「首次發現暗能源至今還不到十年，科學界對它的了解甚少，只知它使宇宙加速膨脹。」
定律是永恆嗎？
朱明中又表示，在大爆炸的理論中，有很多的假設是未有實質的觀測結果和理論背景支持。其中最大的假設就是我們假設所有的物理定論都是不變，相信常數在今天的數值與137億年前宇宙初開時一樣。近年許多歐美的物理學家開始質疑光速是否不變，質疑牛頓萬有引力的常數G是否不變。科學界測量所得，這些常數在近一、二百年不變，但如何可以肯定在137億年的漫長歲月都一樣呢？
由於標準大爆炸理論預設了常數數值不變，若常數隨時間改變，對整個理論又會造成甚麼衝擊呢？朱明中指這已不是大爆炸獨有的問題，而是整個物理學都面對的問題，也是整個物理學界都希望得到解答的問題。
「標準大爆炸理論是一套十分好的理論架構，與現時許多觀測結果都相當啓合。雖然詳細的架構內仍存有一些漏洞，使其未能完整，但相當沒有科學家因這些漏洞而放棄整套理論。所以，現時物理學家的努力方向是設法填補這些漏洞，完善整套理論架構。」
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