2021年8月1日星期日

拉曼崔 ⋯ 宇宙大爆炸理論之父

 宇宙大爆炸理論(Big bang theory)是目前普遍被接受關於宇宙起源的理論。在138億年前,宇宙由一個奇點開始,然後膨脹至今。所有的物質世界包括時間和空間都從這裡開始。講到這個理論,我們通常想到的是,愛因斯坦的相對論,哈伯定律和宇宙背景輻射。也許大家不知道這個理論其實是由一位天主教神父,喬治.拉曼崔(George Lemaitre) 所提出的。很多人有一個錯誤的印象認為聖經中講到神創造宇宙是違反科學的,可是沒想到宇宙起源的理論卻是由一位神父所提出來。

拉曼崔是比利時人,生於1894年。從小就展現對物理和數學的興趣,但同時也有志於奉獻自己做一名神職人員。大學時選讀工程,因第一次世界大戰爆發,他綴學從軍。戰後重回學校改讀數學。1920年畢業後,進入神學院為作為一個神職人員做凖備。1923年正式被按立成為神父。在校期間他研讀愛因斯坦的相對論,甚有心得。在教會同意下,他申請了獎學金於1923年赴英國劍橋大學進修,在着名的物理學家愛丁頓(Eddington) 門下研習相對論並探討宇宙的結構。1924年他來到美國,至哈佛天文台繼續研究,同時到麻省理工學院攻讀博士學位。1927年取得博士學位後回比利時任職於陸文天主教大學(catholic University of Louvain)。


就在他拿到博士這一年,他發表了這一生最重要的論文。他利用廣義相對論解出宇宙膨脹的解,並用此解釋遠方星系光譜紅位移的現象。他推導出星系遠離速度與距離成正比的關係。他得出的結論就是後來所謂的哈伯定律。但哈伯由觀測所得到的結果是兩年後才發表的。所以拉曼崔是第一個提出宇宙膨脹理論的人。在他之前俄國科學家弗利德曼(Friedman) 也曾解出宇宙膨脹的解,但這純粹是數學結果,他並沒有做實際物理上的解釋。拉曼崔的論文發表在比利時的一個法文期刊,幾乎沒有引起任何人的注意。1930 年愛丁頓在英國的一個會議上也發表了類似理論的結果,有人知道了就告訴拉曼崔,拉曼崔就把他這篇論文寄給愛丁頓,愛丁頓看了後知道它的重要性,就要拉曼崔翻譯成英文,將論文發表在英國的皇家天文學刊。此文一出才引起了大家的重視。可是當時,絕大多數的人都認為宇宙是靜態,永遠不會變的。愛因斯坦在知道他的論文後甚至對他說,你的數學無可挑剔,但是物理卻糟透了。愛因斯坦當初為了要讓他的方程式可以得到一個靜態的宇宙,甚至在式子中特別加了一項額外的常數。當後來他真正接受宇宙膨脹的事實後,説這是他這輩子犯過的最大錯誤。


在宇宙膨脹已是公認的現象,並認為哈伯定律是證明宇宙膨脹最佳的證據。但其實哈伯本人並不認為宇宙在膨脹,他提出光缐疲勞(light fatique) 的理論,認為光在經過長距離傳播後.能量會逐漸下降,使得光的波長變長。真正把這個定律推導出來並做出宇宙膨脹的解釋的人是拉曼崔。垃曼崔是一個低調且謙虛的人。當他把那篇1927年的論文翻成英文的時候,他把星系遠離速度與距離的關係那一段給刪除了。原因是他在1927年所用的數據是相當有限的。到1931年他翻譯這篇文章的時候,哈伯已經觀測到更多更好的數據而且也已經發表了他的論文,拉曼崔認為他的數據不夠多而且不想搶哈伯的風頭,所以就把那段最重要的文字給刪掉了。後世的人於是就把發現這個星系速度與距離關係式的貢獻都算在哈伯的身上,而這個關係式就被稱為哈伯定律,拉曼崔的貢獻反而被人淡忘。

拉曼崔在提出宇宙膨脹的理論後,在1931年又提出一個更大膽的理論,他認為宇宙既然膨脹,若把時間往前推,宇宙就會有一個起點,那時宇宙所有物質和能量都完全聚集在一點,空間和時間由此開始,經由不斷膨脹才變成今天這個樣子。他把這個起始點稱做原始原子(primeval atom)。這篇論文刊登於英國的‘自然’期刊,這個理論一出,就引起許多爭議。很多物理學家認為這是出於他的宗教背景,硬是把基督教的創世論放進物理裡。英國的著名天文學家 Fred Hoyal 戲稱這根本就是拉曼崔自己想出來的大爆炸(Big bang)。結果這個奇怪的名字就成了宇宙起源的名稱。


愛因斯坦,拉曼崔與密立根於加州理工學院(1933)

1933年冬天愛因斯坦與拉曼崔又再一次在加州理工學院碰面,當他聽完拉曼崔的演講後對他說這是他所聽過關於宇宙演化最好的說法。在此之後,由於實驗技術的限制,關於宇宙起源的研究就停滯不前了。天文學的研究逐漸轉為核物理的研究,研究宇宙中元素的形成和星體的演化。拉曼崔一方面對核物理沒多大興趣,在二戰時又處在敵後,就逐漸遠離了這方面的研究。一直到1964年,貝爾實驗室的兩位科學家發現了宇宙的微波背景輻射,為大爆炸理論提供了最好的證據。大爆炸理論才普遍被大家所接受。拉曼崔去逝於1966年,總算在他去世前看到他所提出的理論得到證實。


拉曼崔的宇宙起源理論引起了天主教會的極大興趣。教皇庇護十二世(Pope Prius XII)在 1951年對教皇科學院的演講中講到天文學的大爆炸理論已經證實了宇宙是上帝創造的。拉曼崔聽到後,很不以為然。他特別去找教皇,認為他的這種講法極為不妥。拉曼崔認為信仰屬於心靈與精神層面,與探討物質世界的科學不能混為一談。他認為科學與信仰並不衝突。但並不表示他們之間可以彼此證明。他們根本就是不一樣的東西,我們怎麼能用有限的物質世界的現象來證明或否定不屬於物質世界的上帝?聖經上講的是屬靈的世界,我們不能用科學的眼光來看它正不正確。同樣的,我們也不能用聖經裡字面的話來論斷科學。我完全同意拉曼崔的想法。過去教會曾經反對哥白尼和伽利略關於太陽中心說的理論,現在天主教基本上接受科學,但也不會用科學的發現來強行解釋聖經裡的東西,這多少是受了拉曼崔的影響。


天主教對拉曼崔是非常尊重的,他後來一直都在比利時的天主教大學任教,教會從來不會干預他的研究。1936年教皇庇護十一世聘他為教皇科學院(pontifical Academy of science)的院士,1960年他又受聘為這個科學院的院長一直到他去世。


拉曼崔是一位神父,一位虔誠的基督信徒,他沒有因為在宇宙學上的發現而對信仰有任何重搖。這和許多科學家的想法不一樣,有些人認為現代科學已經能讓人類瞭解宇宙的一切,根本不需要上帝,而且聖經上講的東西根本不科學。拉曼崔認學聖經本就不是科學的書,當然不能要求它來解決科學上的問題。同樣的,他也反對教會利用科學上的結果來佐証聖經上的東西。他認為數學與物理是上帝給人類的禮物,讓人類瞭解祂所創造的世界。而上帝本身和祂的作為是和科學無關的。


拉曼崔是第一個提出宇宙膨脹學說的人,但這個重要的發現卻一直算在哈伯身上。遠方星系遠離速度與距離成正比的關係 稱為哈伯定律,比例常數稱為哈伯常數。這件事一直到2018年才被平反,國際天文協會(International astronomical union) 在那一年對所有會員做了一個調查,結果絕大多數人同意把哈伯定律更名為哈伯 - 拉曼崔定律。拉曼崔的名字才終於正式的載入了史冊。