通識導賞﹕悼霍金 先上一課「黑洞不是那麼黑」 - 20180318 - CULTURE & LEISURE - 明報OL網

通識導賞﹕悼霍金 先上一課「黑洞不是那麼黑」

文章日期:2018年3月18日

【明報專訊】物理學家霍金逝世在新聞連環播,阿媽問,其實他做了什麼?

「啊……研究宇宙。」

答完都覺得心虛,走進中大找物理系講師練立明博士惡補一堂物理課,稍解看新聞的疑惑,順道打聽,「你有看過《時間簡史》嗎?」

廣義相對論:兵家不爭之地

霍金科學成就的關鍵字必包括黑洞和宇宙,而他的貢獻之一,就是對愛因斯坦提出的「廣義相對論」裏奇點(singularity)的研究。「一顆好重的恒星,當燃料耗盡就會塌縮,最後縮至變成黑洞,黑洞中間有一個叫奇點的地方,將原本的物質壓縮至一點,密度與能量都無限大。」廣義相對論描述大爆炸(Big Bang),相信某一刻由奇點爆出宇宙,然後不斷膨脹。但愛因斯坦預測黑洞奇點密度「無限大」,讓科學家很傷腦筋,「我們相信合理的科學理論不應預測出無限大,例如做實驗,無限大是無法量度的,是一個很大的問題。」而在霍金之前,奇點的例子都是球對稱、不旋轉的黑洞,但星體如地球都不是完美球體,也會旋轉,於是大家帶着問號,「會否根本沒有奇點?」霍金與另一位物理學家Roger Penrose卻計算出,在一般情况下,沒有球對稱那樣的假設,奇點一樣可以形成,成為廣義相對論裏的奇點定理(singularity theorem)。

這是否其他科學家不敢碰的領域?練博士說相對論與量子力學是當代物理學兩個重要的學問,但響噹噹的廣義相對論在1915年提出後的幾十年,卻沒有成為物理學研究的主流。「因為廣義相對論是一個很複雜的理論,複雜在於其方程式」,「大概到二戰後的五十年代,才慢慢開始有多些人做廣義相對論的研究」。黑洞研究的突破早就出現,德國科學家Karl Schwarzschild在1916年發表黑洞的方程解(solution),但那是不會轉的黑洞,一直到1963年,Roy Kerr才找到旋轉黑洞的解,「黑洞由不轉到會轉,都等了差不多50年。」

廣義相對論與量子力學非完美結合

「量子力學是描述微觀世界,廣義相對論主要是描述天文,兩者在一般情况下都是河水不犯井水」,「霍金輻射」厲害在將兩者結合,但其實現今科學界仍期待着一個完整理論將這兩大支柱結合,霍金之後,依然未解決。一旦跨進黑洞的視界,任何物質都有入無出,連跑得最快的光亦不例外,廣義相對論如此描述。但霍金引入量子力學,向世人宣告「黑洞不是描繪得那麼黑」,練博士指指房裏猶如靜止的空氣,「量子力學預測的其中一個現象,是所謂真空其實並非真空,zoom近看,真空中也有粒子彈來彈去,粒子與反粒子彈出後又合在一起消失,這在宏觀不會看到,像沒事發生。」放在黑洞研究,「如果考慮視界旁有這樣的事發生,粒子與反粒子其中一個partner有機會掉進黑洞,另一個如足夠高能量,就可走掉,我們從很遠去看,就似黑洞向外射出些什麼,那就是霍金輻射。」

「霍金描述粒子是量子力學的範疇,但黑洞的時空就仍然滿足廣義相對論。」是兩個理論的結合,不過練博士形容,也是個「假假哋」的結合,「廣義相對論的方程式指出物質(matter)會影響時空(spacetime)的彎曲,而霍金輻射仍需要處理這條方程式,當中關於物質的部分有量子力學,但時空那邊就沒有量子力學的元素,這不是兩個理論的perfect combination(完美結合),可說是近似。」

超越一個諾貝爾獎

唉,如果量度到霍金輻射,證實它的存在,就可以還霍金一個諾貝爾獎。練博士苦笑,「我想可見將來都不會量度得到」,「霍金輻射會不斷帶黑洞的質量走,因為輻射帶能量,若黑洞單獨存在(isolated),便會一直縮水,但在真實世界,如果每個星系中間有個超巨大的黑洞,會把附近很多氣體吸進去,而這些氣體跌進黑洞之前所放出的輻射要比霍金輻射大很多。」有宇宙學教授提出在實驗室做出類比黑洞研究霍金輻射,可惜未及在霍金逝世前見到成果,不過練博士說類比始終非真正的黑洞,「某程度上是一個蘋果一個橙」,「若測到輻射,與霍金輻射的性質又是否同一回事?」

但看上屆諾貝爾獎,3名美國物理學家因發現重力波得獎,也是證實愛因斯坦百年前的預測,霍金輻射都有希望?當然科技如何突飛猛進是未知之數,不過說回霍金值不值得頒他一個諾獎,練博士就想起愛因斯坦亦非憑相對論得獎,而是「解釋一個與量子力學有關的實驗結果」。諾獎委員把1921年的物理學獎頒給愛因斯坦,「表揚他在理論物理學上的貢獻,特別是光電效應定律的發現」,解釋了光射在金屬上為何會令金屬表面放出電子。

「霍金所做的對拿諾獎是有點尷尬」,但練博士認為,「每一日科學界都有很多不同的論文出現,若做實驗發現與理論不脗合,理論便會自動消失,但確實有些理論,即使未有實驗,但大家都會公認夠fundamental(基本),而霍金做的性質上就是類似這樣的工作。但物理學發展正需要這些重要,未量度到、看不到,卻對物理世界的認識很重要的工作,坦白講我覺得他做的已凌駕了諾貝爾獎,給他是錦上添花的榮耀,不頒給他,他仍然是霍金。」又有人比較霍金還是愛因斯坦偉大,「兩個科學家在不同時空出現,好難有個準則比較,科學是一層一層慢慢演化出來。」

悼霍金,哀科學?

社交平台被霍金離世的消息洗版,人人高呼科學家的偉大,但另一邊廂大學殺科,正有天文學的份。練博士嘆殺科是「有點不幸」,不過院校情况各有不同,他無法評論。他認為不是多人來讀物理就是好﹕「在香港環境讀理科是相對小眾。科普比較多人有興趣,科普書都有市場。一方面科普工作是重要的,但是不是想有多些人去做科學家?我不覺得是這樣。」在大學學制三改四以後,入中大的學生可先選理學院,入讀後再考慮是否進物理系,「以前可能會有未必對物理有興趣的同學,因成績等原因來讀物理,現在自由度大了,可以想清楚是否對物理有興趣,沒興趣或覺得自己應付不來的同學會避開,沒必要來讀物理。」他總結說﹕「有好有唔好,人數上是少些,但這班同學可能真的對物理有熱誠。」

■後記

博士爸爸看《時間簡史》 解釋女兒「生命起源」

隨口問練博士,「你也看過《時間簡史》嗎?」他從辦公室的書櫃拿出小小一本深藍色封面的書,書頁發黃了,竟是1988年英文初版,「個人而言,可以說這本書或霍金改變了我的命運。我讀中學時對科學沒有興趣,也不知自己想做什麼,但一次機緣巧合,在書局翻到這本書」,這本堪稱最難看完的暢銷書,當年這個剛考完會考的中學生一看,「好多都唔知佢講咩,但正正因為不明白,somehow令我有興趣研究物理,對這個宇宙想知多一點。」

女兒問:有霍金輻射有無爸爸輻射?

電視上播着霍金的新聞,「霍金輻射」幾個字不斷重複,練博士女兒問爸爸的問題很搞笑﹕「霍金有霍金輻射,你有冇改咗你個名嘅輻射呀?」一百萬的問題,練博士選擇這樣答﹕「我同佢講,都係因為呢個人,先有你咋。」後來他在大學選了物理系,遇上太太,這是女兒的「生命起源」。上大學後的每個暑假,他都再讀一遍《時間簡史》,看看自己又懂了多少。

文//曾曉玲

圖//曾曉玲、資料圖片

編輯//林信君

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