霍金|不断膨胀的宇宙 就如一个正被慢慢吹胀的气球

撰文: 01哲学团队
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不知道你有没有试过在幽静的晚上,擡头仰望漫无边际的星空呢?你又有否惊奇世界竟然存在,而不是甚么都没有呢?如果世界竟然存在,当然世界是存在,那么世界,乃至于整个宇宙诞生的原因是甚么呢?虽然基督宗教坚信宇宙是上帝从无中创造出来,但仍然不能满足人们的好奇心。事实上,在罗马帝国晚期时,就有摩尼教徒质问教父奥古斯丁,全能的上帝的尚未创世时,它正在做甚么?若果时间是随世界一道由上帝所造,那世界尚未被创造之前,难道存在一个没有时间的时刻?

奥古斯丁:教父哲学 - EP15

1942年的今天,上天为人类带来了史提芬・霍金(Stephen Hawking)。他不单对宇宙大爆炸论(the Big Bang theroy)与黑洞研究有巨大贡献,他亦致力推动科学普及(科普),降低宇宙论的门槛。霍金认为大爆炸前不存在甚么,包括时间,时间在他看来,是随同宇宙在大爆炸后一同诞生的,所以人们可以问,大爆炸距离我们至今有多长时间,但不能问大爆炸在甚么时候发生。

不过自古天才多遭天忌,很不幸,他在年轻时就患有“渐冻症”,病情随著岁月不断恶化,最终于2018年3月14日离世。纵使霍金半生时间都全身瘫痪,不能发声,必须坐在轮椅上移动、依赖语音合成器来与其他人通话,但这亦无阻他探索宇宙边界与时间起源,并向大众表达自己的科学见解。

年轻时的霍金与妻子 Jane(资料图片)

霍金在年轻时已经表现出惊人的智力,对于他而言,大学的功课和课程简直易如反掌,甚至他在进入剑桥大学面试时,在座的大多数面试官早已深知对面那个小伙子比他们聪明得多。最后他亦如愿以偿,得以进入剑桥大学研习宇宙物理学。在1970年代,他重返剑桥大学任教,致力于大爆炸与黑洞、统一量子力学与相对论的研究。在1984年,他决心写一本大众都可以看得明白的科普著作——《时间简史:从大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes),这本书使本来深奥难懂,完全超出日常人们感官经验范围的量子力学和相对论得到广泛的理解,霍金同时将这两门学问结合宇宙大爆炸论,更使人们了解量子力学和相对论的重要性。在这本书之后,霍金可说成为科学界的明星了。

《时间简史:从大爆炸到黑洞》(A Brief History of Time: from the Big Bang to Black Holes)(Bantam)

大爆炸因何而起

霍金对于宇宙大爆炸论的研究,应该是他思想中最广为人知、最引人入胜的一面。大爆炸导致了宇宙的诞生,人们根据散落在宇宙周围的一些迹象,证明宇宙正在膨胀,并回溯地推论出从前的宇宙应该是一个非常小、温度极高、质量极大的奇点(the singularity)。宏观宇宙是古典牛顿力学解释止步的地方,因此我们要转向广义相对论的体系。不过假若人们要研究引起大爆炸的那个奇点,其实相对论也恐怕无用武之地,因为奇点极其细小,因此我们更需要量子力学这门研究微观事象的科学。就在这点上,霍金希望把相对论和量子力学统一起来,不过这个任务非常困难。

坊间对于黑洞与奇点的示意图(资料图片)

事实上,霍金版本的大爆炸理论,主要建基在宇宙膨胀这项发现之上,而有一个重要科学发现支持了宇宙膨胀的观察。上世纪二十年代,美国著名天文学家哈勃(Edwin Powell Hubble)发现大多数星系都有远离的现象。具体来说,当行星向地球移动时,行星所发出的光频率会升高;当行星离地球而去时,行星所发出的光频率会下降。所以当行星向地球移动时,行星看上去会发出蓝光;而行星离地球而去时,行星看上去会发出红光。因此,人们则能根据“红移”和“蓝移”两种现象来判定行星的移动和距离(这称作多普勒效应,Doppler effect)。如今,人们利用天文望远镜等设备能发现星系的“红移”现象,就能够判定宇宙正在膨胀。我们也可以用气球作说明:假设一个尚未吹胀的气球,它的表面上有多个黑点,一旦你慢慢吹胀气球,气球表面上的黑点之间的距离便会增加,这就很好地说明了宇宙膨胀和星系远离是怎样一回事。

气球类比示意图(资料图片)

进退维谷的宇宙

宇宙膨胀理论为宇宙起源自大爆炸提供有力的证明,或许有人会高兴找到这个原点。然而事实上,人类正在面临一个颇为尴尬,甚至可以说是进退维谷的局面:根源牛顿力学,物与物之间应该有引力关系,即一物会因为自身的质量,而产生出一种引力,把周遭其他的物吸住,甚至拉过来;但宇宙除了引力外,还存在斥力。于是星系之间是渐行渐近,还是彼此远去,都是引力和斥力之间的拉锯战。

延伸阅读——克劳修斯︰宇宙的尽头,难逃死寂

如果斥力占据上风,宇宙就会不断膨胀,星系就会彼此远去,到最后可能行星和它的星系会远离,地球和太阳就会愈来愈远,换言之,地球会失去太阳的光照,而面临黑暗。但如果引力占上风呢?情况就不太妙,因为这会导致所有星系都会被拉在一起,而缩回原来宇宙大爆炸时的那一个细小的奇点。所以说,是进还是退,都非常尴尬。不过话说回来,是进还是退,好像又不是我们所能决定,所以我们还是寄望未来的科学发展吧。

继续阅读——霍金:在物理学以外,反哲学的哲学启示

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