宇宙真係有開始？大爆炸、霍金奇點與虛數時間

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宇宙有大約 138 億年歷史，這是今日科學界的共識。但「有限的年齡」是否等於「有一個真正的起點」？今集《未來學》由江啟明主持，再次請來香港教育大學副教授陳文豪——他的研究橫跨天體物理學、宇宙學與科學及宗教哲學——由大爆炸的觀測證據講到霍金的奇點定理與「虛數時間」，最後發現「開始」這個概念本身，可能比想像中複雜得多。

由「永恆不變」到膨脹宇宙
在十九世紀或更早，研究宇宙被視為形而上學的領域，科學家根本沒有工具入手。直至廣義相對論出現，宇宙的演化才成為可以用科學方法探討的課題。不過，當時大部分科學家與哲學家——包括愛因斯坦本人——都相信宇宙永恆不變：一個沒有開始、沒有終結的宇宙，是最簡單的模型。愛因斯坦甚至明知廣義相對論的解顯示宇宙不是膨脹就是收縮，仍刻意加入宇宙常數，令宇宙保持靜態。

轉捩點出現在上世紀二十年代。哈勃觀測遠方星系，發現幾乎所有星系都呈現紅移——即光的波長向紅色一端偏移，這是光的多普勒效應，代表星系正在遠離我們，而且越遠的星系離開得越快。愛因斯坦得知這個結果後，承認宇宙正在膨脹，並將宇宙常數移除。

宇宙微波背景輻射：一鎚定音
紅移證據雖強，仍有科學家提出各種模型，試圖在永恆不變的宇宙框架下解釋紅移。爭論持續至六十年代，科學家意外發現宇宙微波背景輻射——宇宙早期高溫遺留下來、隨膨脹冷卻的光，今日以微波形式存在，溫度只有絕對溫度 2.7K（約攝氏負 270 度）。舊式電視螢幕上的「雪花」，有一小部分正是來自這種輻射的噪音。要解釋這種輻射，宇宙膨脹是最自然的模型，爭論至此大致平息。

透過宇宙微波背景輻射的精確數據，配合哈勃定律與哈勃常數，再以廣義相對論推算，科學家將宇宙年齡定於 137.7 至 137.8 億年之間——這是過去幾十年天文學最偉大的成就之一。

大爆炸不是爆炸，而是空間膨脹
陳文豪特別澄清：「大爆炸」這個中文翻譯容易誤導。Big Bang 並非炸藥那種爆炸，而是空間本身的膨脹——一個極小的空間範圍，膨脹到今日的規模，早期溫度極高，隨膨脹逐漸冷卻。過程亦不完全平均：早期可能有一段稱為 Inflation（暴漲）的時期，空間突然急劇膨脹。

由奇點定理到「開始」的疑問
既然光速有限，我們永遠看不到宇宙的全部，為何仍相信它由一點膨脹而來？答案在於現代科學的方法：假設一個模型，檢驗它能否推導出今日觀測到的數據。Borde、Guth 與 Vilenkin 三位科學家（合稱 BGV）證明，要符合今日的觀測，宇宙必須有有限的過去；霍金與諾貝爾物理學獎得主 Roger Penrose 的奇點定理更指出——如果廣義相對論正確——宇宙早期必定是一個如黑洞奇點般的點。

關鍵正在「如果」二字。當宇宙縮到極小，量子力學必須參與，而我們至今沒有一套有效結合量子力學與廣義相對論的理論。所謂 138 億年，只是假設物理定律不變、單純以廣義相對論回推的結果。在量子物理適用的最早期，宇宙可能處於另一種未知狀態——維持幾百億年，甚至無限長時間。換言之，宇宙有有限的膨脹歷史，卻未必有真正的「第一刻」。

霍金的無邊界理論與虛數時間
霍金在 1983 年左右提出無邊界理論（No Boundary Proposal）：以他結合量子物理與重力的方法推算，宇宙最早期的時間可能是「虛數」——即中學數學的 i（負一開方）。他以地球作比喻：一直向南走，到了南極就無法再南，但那裏並非邊界；同樣，時間回溯到盡頭便轉為虛數時間，宇宙因此沒有邊界、沒有需要處理的「開端」。

不過，這套理論在物理學界與哲學界都未被廣泛接受。陳文豪曾以哲學方法研究虛數時間，指出當中的難題：由虛數時間過渡到實數時間，在數學上可以連續，在概念上卻是一個本質的轉移——虛數宇宙與實數宇宙屬於兩種本質不同的宇宙，是甚麼物理機制促成這個轉移？這正是純數學無法回答、必須由哲學介入的問題。

宇宙到底有沒有開始？
答案視乎你對科學的態度。如果科學是「就已知作推導」，那麼以廣義相對論推論，宇宙有有限年齡，也應有一個開始；如果你認為理論明顯不完整，便應在最早期「留白」，等待更完整的理論出現。科學家在這個問題上，至今分歧極大。

科學越接近宇宙起源，「開始」這個概念反而越成問題。下一集《未來學》將追問一個更進一步的問題：宇宙是否真的「被產生」出來？是否有一位所謂的創造者？