Tag: 宇宙學

霍金是繼愛因斯坦後，另一位名字深入大眾文化的物理學家。 霍金的宇宙誕生、時間開端理論，認為宇宙誕生一刻並非時間的「開端」。這理論聽起來非常奇怪難懂，而且似乎違反直覺。你會說：「宇宙」所指當然就是時間和空間，因此於宇宙誕生瞬間，時間當然才「開始」存在啦！故此，討論宇宙誕生「之前」發生了什麼事是沒有意義的，因為在那「時候」，連時間都尚未誕生。 大家可能會覺得很古怪，宇宙誕生一刻要是並非時間的開端，那麼時間的開端在哪𥚃？原來在霍金的理論中，時間並非只有一個「維度」；我們日常經歷的時間叫做「實時間」，但宇宙誕生「之前」的時間是「虛時間」。在這裡，「實」和「虛」是數學描述，是數學中的「實數」和「虛數」（即開方負一）的意思。 這個非常前衛的理論，引起了不少包括專業物理學家在內的人熱烈討論。當然，霍金的理論有堅實的數學支持。但是無論一個理論的數學構造如何合理、美麗、引人入勝，若然沒有實驗數據或觀測證據支持，就永遠不能證實。霍金的虛時間理論當然仍未有任何數據或觀測支持，因此物理學家和宇宙學家，仍只把它看待成一個不錯的、有可能是正確的、有待驗證的理論。 然而，霍金卻在他的暢銷科普書籍《時間簡史》中把虛時間概念寫得如像已經被證實了一樣，引起了不少物理學家的迴響。身為理論物理學家，霍金的工作就是要建構出一個合理的宇宙模型。可是，合理並不保證與現實相符。檢驗各種合理的宇宙模型，並不在霍金的工作範圍之內。因此，有人認為他此舉是誤導大眾，也有人認為他只是以理論物理學家的角度出發去做科普，無傷大雅。 我在大學物理系的一位老師就曾經說過，霍金寫的是科普「毒物」。這個評論或許有些太過重了，但卻不無道理。如果霍金寫的書籍首要對象是專業的物理學家，那並無不可。然而，更多讀者是業餘因興趣而讀霍金著作的，未必有足夠知識下判斷。更甚者，對於有意進入物理系、以研究為目標的學生們，更可能造成先入為主誤導的反效果，限制了他們的想像力。 那麼，究竟理論物理學家是否不應寫科普？我認為這並非職業問題、也不是內容的問題，而是在於表達方式。霍金的書籍，的確沒有明確表示哪些理論是已經證實的內容、哪些是未經證實的猜測。以我自己來說，最初讀《時間簡史》的時候，我亦曾誤會，以為所有內容在科學界都是已有共識的。當然，從著書的角度看，寫書推廣自己的理論亦為無可厚非。 霍金的另一個著名研究範疇，是黑洞。黑洞的愛因斯坦於 1915 年發表的廣義相對論的一個結論，質量極高的天體產生的重力強得光也無法脫離。一直以來，物理學家都認為在黑洞中心，時空會被重力扭曲至極致，成為一個密度無限大的點，稱為奇點。然而，由於光速是宇宙極速，沒有任何東西或資訊能夠從黑洞裡面跑出來，因此我們無從觀察黑洞裡面究竟是否如物理學家所預期的一樣。 霍金與彭羅斯關於黑洞奇點的數學研究，指出符合廣義相對論的宇宙模型之中，黑洞和宇宙誕生一刻都必定存在奇點。換句話說，虛時間亦可能在黑洞中心的奇點「之後」延續下去。關於虛時間的這些理論，以現時人類科技水平，根本沒有任何辦法檢驗這個理論。所以，很多物理學家對於霍金的奇點理論抱持懷疑態度。 然而，霍金研究黑洞的並非只有奇點。黑洞吸引大量物質，物理學家認為這些關於這些物質的資訊會永遠消失於我們的宇宙——黑洞的事件視界之外。霍金推導出了一道方程式，把黑洞的表面積與其「儲存」的資訊量——熵——拉上關係，資訊量越多，表面積就越大。物理學界被霍金這個發現震驚了，原來黑洞裡的資訊狀態竟能以某種方式表現在黑洞表面之上！對比起霍金關於奇點的理論，這個黑洞熵理論並沒有涉及無限大。雖然這個理論仍未被天文觀測所證實，物理學界普遍接受這個理論。 量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大支柱，可是兩者卻水火不容。量子力學以機率描述微觀粒子世界，廣義相對論以絕對的因果關係描述巨觀的宇宙結構。若要數霍金最了不起的成就，就是他在黑洞表面的時空結合兩者，發現了所謂的霍金輻射。霍已輻射理論指出，黑洞會不斷放出粒子，而這些粒子竟然帶有過往被黑洞吞噬的資訊！黑洞的熵因而下跌，因此黑洞的表面積，即黑洞的尺寸亦同昨會縮小。霍金更計算出霍金輻射的速率，發現黑洞尺寸越小，霍金輻射速率就越高。因此，黑洞非但會「蒸發」，而且這個過程會隨黑洞越縮越小而變得越來越快。 天文學家一直希望直接觀察黑洞，以證實（或證偽）這個霍金輻射理論。這亦是霍金一生發表過的眾多理論之中，最有望被現代科學家檢驗的一個。很多理論物理學家更在接受了霍金輻射存在的前提下，繼續這個研究方向。最近研究方向普遍認為，如果霍金輻射的確存在，那麼黑洞表面就會形成一道由極高能量粒子構成的「火牆」，沒有任何物件能安然無恙地跨越黑洞的事件視界，顛覆了物理學界一直以來對黑洞的認識。霍金輻射告訴我們：黑洞並不黑！ 霍金過世，很多人（包括科學家在內）都為霍金未能親眼目睹霍金輻射被天文觀測所證實而感到惋惜。霍金的理論物理研究雖然未有為他贏得諾貝爾獎，然而很多現代物理學理論都是建築在他的研究之上，就好像那個黑洞火牆理論一樣。就如同愛因斯坦沒有因相對論獲獎、卻造就了往後眾多研究者因他的相對論而得到這科學桂冠一般，不難想像，往後想必亦會有研究者因證實霍金某理論而獲獎。 牛頓：「如果說我看得比較遠，那是因為我站在巨人肩膀上。」對比他的身驅，這或許是對霍金的科學貢獻和意志的最高稱頌。