霍金、科學精神與人類社會 (鄭紹遠)

  香港科技大學邀請著名科學家和宇宙學家霍金於六月中旬來港訪問,不僅在香港掀起了一股「霍金旋風」,而且令霍金的著作成為書店近期的熱賣書籍。不過,在這股「霍金旋風」的背後,我們更應該重視人類對宇宙和社會探究的科學精神、認識知識對推動社會發展的重要性,以及學習霍金對追尋知識和真理那一股堅韌不拔的可貴精神。

人類生活體現的科學精神

  科學其實源於人類的生活實踐。人類對自然和人文現象尋根究柢,找出事物的起源,探索當中的發展規律,通過實驗和論證,科學地寫出一些原理和程式,使人人都可以重複地做到,這就是科學。最近一項香港學生科學比賽,其中有一個「薑汁撞奶」的報告,即可一窺科學在生活實踐中的意義。

薑汁撞奶的啟迪

  薑汁撞奶是一種中式甜品,由牛奶製成。從化學的理論看,將酸加入牛奶,使奶凝結,道理很多人都明白。但薑汁撞奶,要成功地炮製出來,並不是人人可以做到﹔而且也有很多人以為,薑汁撞奶只是一個化學問題。事實上,這是一個生化學的問題。薑汁撞奶,要用新鮮的薑。因為新鮮的薑,才有新鮮的酶,亦即酵素。在薑汁撞奶的過程中,要把牛奶煮到很高溫,然後降溫,把牛奶多次反覆倒入容器裏,所謂「拉奶」,使溫度降到六十六、七度左右。新鮮薑的酵素,在這個溫度下變得活躍,所以便可以成功撞出這美味可口的甜品。這個課題的學生經過研究、探索、實驗,終於得出薑汁撞奶的「秘方」——程式。接着便找從來沒有做過薑汁撞奶的人,按照他經實驗而得出來的「秘方」,照辦煮碗,果然成功了。這種源於生活中的探究,就是一種科學精神在生活實踐的展現。

探索宇宙 鍥而不捨

  人類抬首蒼穹,觀察到斗轉星移,四季交替﹔風雷閃電,山河變色,因而對神秘莫測的大自然充滿好奇,對揭開時空起源的秘密,有一股莫名的吸引力。古希臘時代的柏拉圖,在《蒂邁歐篇》(Timaias)一文中,便流露了這種探索的激情。他指出﹕「整個世界究竟是永遠存在而沒有開始的呢﹖還是創造出來而有一個開始呢﹖我深信是創造出來的。」

  著名科學史學家李約瑟所推崇的老子著作《道德經》成書於春秋末期,距今已有兩千五百多年。對宇宙的形成和發展,老子認為「道」是萬物之源,而且更提出「萬物負陰而抱陽,衝氣以為和」(《道德經》第四十二章)的物質結構模型(與現代的物質原子結構——陽性的質子處於中心,陰性的電子在外圍運動,像把陽抱在懷裏,即所謂「負陰而抱陽」的結構吻合),用「道」去探索和解釋宇宙的起源。可以看到,人類對宇宙和人文的探索,就是人類文明和知識積累的基礎和動力。

知識是人類文明發展基石

  很清楚,在西方的宇宙探索史上,從哥白尼、伽利略、開普勒(Johannes Kepler)、牛頓、愛因斯坦到今天的霍金,其實都經歷了一個從認識、修正、改錯到知識提升的過程,受過科學論證精神的洗禮。從「地心說」到「日心說」﹔從牛頓的經典力學到愛因斯坦的相對論﹔再從廣義相對論無法克服「奇點」理論的矛盾,到霍金提出結合廣義相對論的思想和量子場結合,以「宇宙波函數」(Universe Wave Function),來推斷宇宙起源於大爆炸。人類知識的積累,顯然是打開宇宙起源、人類生存由來的鑰匙。

  一九六二年,已故科學哲學家庫恩(Thomas Kuhn)教授提出科學的發展,是一場「範式」(Paradigm)的革命(參看The Structure of Scientific Revolutions)。牛頓的引力理論說明了月球、行星、單擺(Simple Pendulum)、拋物體、潮汐及其他很多低速物體運動,較諸開普勒的行星運動定律適用範圍更廣,解釋能力更強,於是牛頓的引力科學範式,便取代了開普勒的行星科學範式。在進一步探索和研究的過程中,愛因斯坦的相對論範式,對物體高速運動(如光速)有更強大及有效的解釋力,因而成為新的科學範式。這種範式的更迭,使人類的知識不斷增長,也使人類的文明不斷演化。

成立高等研究院任重道遠

  可以說,一個重視知識的社會,才是一個活力無窮、不斷進步的社會。今天香港銳意轉向知識型經濟發展,故提升人力資源的素質是十分重要的工作。大學建立研究院,培育人才,顯然是一項配合社會發展的百年大計。科大在《二○○五—二○二○年策略發展計劃》中,便提出設立科大高等研究院,匯聚全球頂尖的學者和優秀的後進,發展成為全香港以至全中國的知識重鎮,實現「知識提升人類文明,推動社會進步的教育理想」。這次霍金應科大之邀來港,並於六月十五日以「宇宙起源」為題主持一場公開講座,也是作為科大成立十五周年傑出學者講座的一項重點活動,引起不少香港人對宇宙起源問題的興趣,但我們希望,大家對霍金訪港所引發的熱潮並不是三分鐘熱度,而是真正認識到科學精神在社會發展中的促進作用——講求科學精神的人力資源,比其他發展資源更重要。

宇宙是自己創造自己的

  一六四二年一月八日,伽利略逝世﹔同一年,牛頓誕生。三百年後,於一九四二年,就在伽利略逝世那天,霍金出生。這些日子上的巧合,在科學和人類發展史上,彷彿留下了一個讓人有無窮想像的話題——上天為什麼如斯安排﹖霍金是最早用愛因斯坦廣義相對論推演宇宙演變的科學家之一。他在著作《時間簡史》中,提出「宇宙起源於大爆炸,並將終結於黑洞」的斷論,已被科學界所接受。可以說,時間、空間的歷史與未來,就是霍金的研究對象。

宇宙大爆炸的論證

  從歷史上看,當代宇宙學的誕生,可以天文學家哈勃的觀察和研究作為起點。哈勃於一九二九年在天文觀察中發現,銀河外星系的光譜,出現了紅移(Redshift)現象,由此推斷,愈遠的星系以愈快的速度離我們而去,這表明整個宇宙是處於膨脹狀態。若將時間倒溯到過去,估計在一百億至二百億年前,曾經發生過一次開天闢地的驚天事故,即宇宙從一個極其密緻、極熱的狀態中大爆炸而產生。

  一九四八年,美籍俄裔宇宙學家伽莫夫(George Gamow)發表了一篇有關大爆炸的文章,並作出了驚人的預言——早期大爆炸的輻射,仍殘留在我們周圍。不過,由於宇宙膨脹引起的紅移,其絕對溫度只餘下幾度左右。在這種溫度下,輻射是處於微波的波段。到一九六五年,美國AT&T貝爾實驗室的彭齊斯(Amo Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)無意中發現到宇宙背景3K微波輻射,這給於宇宙膨脹的理論帶來強大的支持和論證基礎。

廣義相對論陷入困境

  霍金在愛因斯坦相對論的基礎上,提出新的修正和補充。霍金和研究拍檔彭羅斯(Roger Penrose)推斷,在一般的條件下,空間——時間必然存在着「奇點」(Singularity)。他們二人於一九七○年證明了「宇宙奇性定理」(參看The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology),並由此獲得一九八八年的沃爾夫物理學獎(Wolf Prize)。

  按照廣義相對論,宇宙從大爆炸奇點開始,即是大爆炸的起點。奇點是一個密度無限大、質量無限大、時空曲率無限高、熱量無限高、體積無限小的「點」,在奇點處,一切科學定律包括相對論本身都失效了,甚至連時空也失效。奇點可以看成空間和時間的邊緣或邊界,只有給定了奇點處的邊界條件,才能由愛因斯坦方程闡釋到宇宙的演化。但邊界條件只能由宇宙外的「造物主」所給定,因此,宇宙的命運和演化,無疑是操縱在造物主手上。這樣一來,我們又回到牛頓時代,一直困擾人類智慧的「第一推動力」問題——宇宙的起源和演化,真是由造物主看不見的手推動嗎﹖

用宇宙波函數解決疑難

  如果奇點是非物理性的,一切科學理論都失效,這樣一來,就構成宇宙學最大的疑難,廣義相對論也陷入了理論困局。霍金回憶,「廣義相對論在奇點的崩潰,將破滅我們預言宇宙未來的幻想」,故此必須另闢蹊徑去解決這個問題(參看Sixty Years in a Nutshell)。霍金相信,在宇宙極早期,整個宇宙非常微小,故此必須考慮量子效應,把廣義相對論的思想和量子場結合起來﹔對於宇宙奇性疑難,也必須用量子引力論才能解決。一九八三年,霍金和哈特爾(Jim Hartle)發表論文《宇宙的波函數》(Wave Function of the Universe),正式提出「無邊界宇宙」的設想,即「宇宙的邊界條件就是沒有條件」。如果時空沒有邊界,就無須造物主的第一推動。霍金論證,宇宙的量子態是處於一種基態,空間和時間可看成一有限無邊的四維面。

打破「第一推動力」的苦惱

  既然宇宙是一個有限無邊的閉合模型,由此我們便得出一個「自含」、而且是「自足」的宇宙,亦即在原則上,人類憑科學定律,便可以將宇宙中的一切論證出來。霍金和他的學生吳忠超證明,在無邊界假定的條件下,宇宙必須從零動量態向三維幾何態演化。於是,一個經典奇性疑難,就被量子效應所解決了,而且宇宙的起點正是由此奇點開始,而霍金的大爆炸宇宙論也找到了扎實的理論基礎,為當代宇宙學的研究,立下一個新的研究範式。更重要一點,是宇宙起源打破了對人類「第一推動力」的三百年迷惘。

人類理智和堅韌不拔精神

  既然宇宙是「自含」的、「自足」的,也就是說,宇宙是自己創造自己、自己發展自己的。霍金相信宇宙是可以認識的、可以理解的,但他同時冷靜地認識到,人類不可能窮盡對宇宙的完全認識。

  可以說,人類對宇宙一切的認識只能是相對真理。正如科學哲學家波柏(Karl Popper)指出,人類在無窮的相對真理的長路中不斷探索、不斷進步、通過「除錯法」(Method of error elimination),不斷認識真理、迫近絕對真理(參看Conjectures and Refutations : The Growth of Scientific Knowledge)。人類在認識宇宙的過程中,得到無窮的啟迪,而人類的文明也得以不斷進步。

  這種對科學定律和真理鍥而不捨的探究精神,就是人類文明發展的動力,人類的生命在追尋真理的過程中,顯得無比珍貴。所以,在科大召開的霍金記者招待會上,有記者提問,因病導致身體不能活動的鄧紹斌(斌仔)要求安樂死,這種做法究竟對不對﹖霍金首先表示斌仔有這種選擇自由,他肯定人類自由選擇的價值,但他卻隨即指出生命的可貴,尋死是嚴重的錯誤,只要有一息尚存,生命便有希望。

人類命運掌握在自己手上

  事實上,霍金一生的確充滿傳奇。他在劍橋大學研究宇宙學時,患上肌肉萎縮症。這種疾病不僅難以治癒,並且會影響到大腦中控制運動功能的部分。這個頑疾最後使霍金全身動彈不得,只得兩根指頭可以活動。但他沒有因此而意志消沉,反而以不屈的堅強意志,克服困難,透過人類的理性和智慧,對時間、空間、黑洞、宇宙起源與未來建立新理論和範式,震撼整個科學界。

  霍金六月十五日在科大的公開講座後接受提問。有人問他,身體的殘缺並沒有阻擋到他的前進,他憑什麼力量克服困難﹖霍金很清楚表示﹕「身體殘缺,精神不能殘缺。」這種堅韌不拔的精神,充分肯定了人類在宇宙中存在的價值,也充分顯露了人類生命的價值。也因為有這種堅韌不拔、鍥而不捨的精神,人類才有力量和智慧,在有限無邊的茫茫宇宙中,孤獨地尋找宇宙的起源和自身存在的原因﹗沒有「第一推動力」,人類的前途和人類社會的發展,將像宇宙一樣,是自己演化自己,自己發展自己﹗

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霍金和他的女兒露茜在香港科技大學的一個講座上。