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不可思议的物理 作者:加来道雄 近现代)

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15.预知

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总而言之,预知被牛顿物理学所排除。因与果的铁律不可违背。在最子理论中,新的物质状态是可能的,比如反物质,它等同于在时间中逆行的物质,但是因果律没有遭到违反。事实上,在量子理论中,反物质对于因果律的修复是必须的。快子乍一看似乎有违因果律,但物理学家相信它们真正的意图是开始宇宙大爆炸,且它们因此再也无法被观察到。

物理学家认为,希格斯玻色子最初是从快子变化而来。在假真空中,亚原子粒子全都没有任何质量。但是它的存在使真空不稳定,然后,宇宙就转变为一个新的真空。在这个新的真空中,希格斯玻色子变成了一种普通的粒子,亚原子粒子开始具有我们如今在实验室里进行测量的质量。如此,希格斯玻色子的发现将不仅完成标准模型最后的遗失篇章,还会证明快子状态曾经存在过,只是变成了一种普通粒子。

(在费曼的诺贝尔奖获奖演说中,他说,作为一个年轻人,他冲动地与这些来自未来的超前波坠入了爱河,就如与一位美丽的少女坠入爱河一样。今天,那位美丽的少女已经长大,成为一名成熟的妇人,并且是许多孩子的母亲。这些孩子之一便是他的量子电动力学理论。)

还有另一个更加不寻常的后果:在一团物质中必须只有一个电子。同一个电子高速前后移动,在时间中曲折前进。每当它一调头就成为反物质。但如果它在时间上再次调头,它就变成了另一个电子。

神秘主义者们开始对这些超前波产生兴趣,猜测它们似乎是来自未来的讯息。或许,如果我们能够以某种方式驾驭这些波,那么我们也许可以将信息送回过去,由此提醒前人们注意即将到来的事件。比如,我们可以送回一条消息给自己1929年的祖父母,提醒他们在大崩盘之前卖光他们所有的股票。这样的超前波不像时间旅行那允许样我们亲自造访过去,但能使我们将信件和信息送回过去,提醒人们注意尚未发生的重大事件。

来自咆哮的世界中心的大火使地球颤抖

然而,当我们讨论麦克斯韦的理论时,事情就变得复杂多了。当我们解开麦克斯韦关于光的方程,我们发现的不是一个解,而是两个:一个“延迟”的波,代表着光从一点到另一点的标准运动;但还有一个“超前”的波,光束在时间上会回到过去。这一超前的波来自未来,到达的却是过去!在100年中,当工程师们遇到这一“超前的”、回到过去的解时,他们简单地将它作为一个数学上的偶然加以忽略。由于延迟波非常精确地预测无线电、微波、电视、雷达和X射线的活动,他们轻易地将超前的解丢出了窗外。延迟的解精彩又美丽,并且很成功,工程师们简单地忽略了她丑陋的孪生姐妹。为什么要跟成功过不去?

有些人称这首诗证明诺查丹马斯预见了2001年9月11日纽约世贸中心双塔的毁灭。但是,几个世纪以来,这首诗已经被赋予了许多种其他的解释。其隐喻过于模糊,许多种解读都有可能。

严格的科学测试能证明某些个人可以看到未来吗?在第12章中我们看到,时间旅行或许符合物理定律,伹那是对于一个先进的III型文明而言。而预知在当今的地球上可能吗?

使快子如此古怪的原因是,它们有着幻象中的质量(“幻想中的”意思是,它们的质量乘以了-1的平方根,或者说“i”)。如果我们简单地使用爱因斯坦的方程,并且用“im”代替“m”,那么不可思议的事情就会发生。突然,粒子比光移动得更快。

尽管快子十分古怪,但物理学家们认真地对它们进行研究,包括哥伦比亚大学的杰拉德·费因伯格和德克萨斯大学奥斯丁分校的乔治·苏达山(George Sudarshan),问题在于从来没有人在实验中看到过一个快子。快子的主要实验线索应当是其违反了因果律。费因伯格甚至建议物理学家们在接通一束激光之前对它进行检査。如果快子存在的话,那么或许来自激光束的光能在仪器被打开前就能测得。

事实上,预知很难与现代物理学取得一致,因为它违反了因果律——原因和结果的定律。结果发生于起因之后,反之不成立。所有到目前为止被发现的物理定律内在包含了因果律。对因果律的违反将标志着物理学基础的大崩溃。牛顿力学是牢固地建立在因果律之上的,牛顿的定律包含了一切,如果知道宇宙中所有分子的方位与位置,就能够计算出这些原子们未来的运动。这样一来,未来就是可计算的了。大体上,牛顿力学说的是,如果你拥有一台够大的计算机,就能计算出一切未来的事件。根据牛顿的理论,宇宙就像一台巨大的时钟,在时间的初始由上帝上了发条,并且永远都按照他的法则跳动。牛顿的理论中没有预知的位置。

在科幻故事中,快子常常被用于将信息送回给过去的先知们。但如果有人细査物理定律,他就会发现,这是否可行并不清楚。比如,费因伯格相信发射一个在时间中前行的快子与吸收一个在时间中逆行的负能量快子完全相同(类似于关于反物质的情形),并因此不违反因果律。

撇开科幻小说不谈,如今对于快子的现代诠释是,它们可能在大爆炸的瞬间就存在,违反了因果律,但它们现在不再存在了。事实上,它们可能已经在使得宇宙“爆炸”的过程中起到了不可或缺的作用。从这个意义上来说,快子对于一些大爆炸理论而言是必不可少的。

因此,预知似乎可以排除了,至少在可以预见的未来中是如此,这使其成为一项“三等不可思议”。如果预知的确能在可重现的实验中被证明的话,它将严重动摇现代物理学的根本。

诺查丹马斯(Nostradamus)在16世纪写到过,距今更近一些的埃德加·凯西(Edgar Cayce)也宣布过,说他们能揭开时间的面纱。尽管已经有许多言论宣称他们的预言成真(例如,正确预测第二次世界大战、肯尼迪总统遇刺以及苏联解体),但是这些预言家用以书写自己诗句的行文令人费解,如寓言一般,会造成许多种自相矛盾的解释。比如,诺查丹马斯的四行诗非常笼统,从中几乎想读出什么就能读出什么来(人们已经这么做了)。其中—首四行诗写道:

除了来自未来的超前波以外(它们已经在量子理论中一次又一次地证明了自己的效用),量子理论中还有另一个古怪的概念,似乎同样疯狂,但或许并不同样有用。这就是“快子”的概念,它在《星舰迷航》中经常出现。每当《星舰迷航》的编剧需要某种新的能量形式来完成某种魔法般的操作,他们就将快子祭起。

(快子与反物质和负物质不同。反物质具有正能量,以低于光速的速度运动,并且可以在我们的粒子加速器中被创造出来。根据理论,它会受到引力的作用落下。反物质相当于在时间中逆行的普通物质。负物质具有负能量,同样以低于光速的速度移动,但是在引力的作用下会向上。负物质从未在实验中被发现。理论上,大量的负物质可以被用作时间机器的燃料。快子以超光速移动,并且具有幻想中的质量,尚不清楚它们在引力作用下是向上还是向下运动。它们同样未在实验中被发现过。)

兴奋的地球围绕着“新城”

——尼古拉斯·法莱塔(Nicholas Falletta)

来自未来的快子

如果我们将反物质仅仅作为物质的另一种新奇的形式对待,并且随即用反物质做一次实验,则结果不违反因果律。原因和结果仍旧不变。如果我们现在逆转反电子的时间方向,使它在时间中后退,那么我们不过是进行了一次数学操作,物理原理保持不变。物理上什么都没有变化,所有的实验结果都保持不变。因此,把电子看作在时间里前行和后退有着充分的依据。但是,每当电子在时间中后退,它仅仅是实现了过去。因此,要拥有一个前后—致的量子理论,来自未来的超前解似乎必不可少,但它们最终并不违反因果律。(事实上,没有这些古怪的超前波,因果律就会违反量子理论。费曼证明,如果将超前波和延迟波的作用相加,我们会发现违反因果律的项刚好全部都约去了。因此,反物质是维护因果律所必需的。没有反物质,因果律或许会崩溃。)

回到过去

费曼继续探究这个疯狂想法的起源,直到它最终成长为一套完整的电子量子理论。他的创作——量子电动力学(quantum electrodynamics,QED),已经在实验中被证明误差小于100亿分之一,使其成为有史以来最精确的理论之一。这使他和他的同事朱利安·施温格(Julian Schwinger)、朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)在1965年夺得了诺贝尔奖。

但对于物理学家而言,超前解在过去的整个世纪中都是一个困扰他们的问题。由于麦克斯韦方程是现代社会的支柱之一,这些方程的任何解都必须非常严谨地加以对待,即使牵涉到接受来自未来的波。要完全忽略来自未来的超前波似乎是不可能的。什么大自然会在其最基础的层面上给予我们这个古怪的解?这是一个残酷的玩笑,或者它具备更深的意义?

快子有一项怪异的性质。当把它们引入任何理论中,它们都会使“真空”即一个系统的最低能态失去稳定。如果一个系统中有快子,那么它就处于一个假真空(false vacuum)中,如此一来,这一系统便不稳定,并且会衰变为真真空(true vacuum)。

新生的泉水流淌成一条新的红河

矛盾的是,其相要倒立起来去吸引注意力。

我们能预见未来吗?

想象一座在湖中挡住水的水坝。它象征“假真空”。尽管水坝似乎非常稳固,但是存在一个低于水坝的能量状态。如果水坝上出现一道裂痕,那么整个系统就随着水流向海平面而获得真真空。

现在,让我们假设有一团反物质与普通物质相撞,制造了一场巨大的爆炸。有数万亿电子和数万亿反电子对消了。但,如果我们逆转反电子的箭头方向,将它变成一个在时间中逆行的电子,那就意味着同一个电子曲曲折折地前行、后退了数万亿次。

这一结果引发了奇怪的状况。如果一个快子穿越物质,它会因为与原子相撞而失去能量。但,当它失去能量,它的速度会加快,而这又进一步增强了其与原子的碰撞。这些碰撞会造成它失去更多能量,并由此加快速度,随着这成为一个剧烈的循环,快子自身会自然获得无限大的速度。

以同样的方式,据信大爆炸前的宇宙最初是从假真空之中开始的,那里存在着快子。而快子的存在意味着这并不是最低能态,因此整个系统也并不稳定。一个裂口出现在时空的结构上,代表着真真空。随着裂缝越来越大,一个泡出现了。在泡外,快子仍旧存在,但在泡内,快子全部消失了,随着泡的膨胀,我们发现了我们所知的宇宙,没有快子存在。这就是大爆炸。

因此,费曼揭开了反物质的秘密:它不过是在时间中逆行的普通物质。这一简单的观察结果立即解释了所有的粒子都拥有反粒子配偶的谜:这是因为所有的粒子都可以在时间中后退,因此就被改头换面成了反物质(这一解释与先前提及的“狄拉克海”相同,但更加简单,并且是目前被广为接受的解释)。

答案是否定的。

当费曼继续钻研这个令人伤脑筋的问题时,年轻的他留意到了某些更奇怪的现象。通常,如果一个电子和一个反电子相撞,它们会产生对消,并且制造出一道γ射线。他将这画在了一张纸上:两个物体相互碰撞,造成了一阵能量的爆发。

这一切听起来都像是吃饱了饭没事干的情况下作出的无法验证的推断。但是假真真空理论将接受其首次实验测试,当2008年大型强子对撞机在瑞士日内瓦郊外投入运行之后,LHC的关键目的之一将是找到“希格斯玻色子”——标准模型中的最后一个尚未被发现的粒子。这是拼图玩具的最后一片(希格斯粒子非常重要,但非常难以捕捉,诺贝尔奖得主莱昂·列德曼因此称之为“上帝粒子”)。

宇宙学家非常认真地看待一项理论:一个被称为“暴胀”的快子开始了暴胀的最初进程。正如我们先前提到的,暴胀宇宙论陈述,宇宙最初是一个微型时空泡,经历过一场增压暴胀时期。物理学家们相信,宇宙最初始于假真空状态,暴胀场是一个快子。但是,快子的存在使真空不稳定微小的气泡们产生了。在其中一个气泡内部,暴胀场开始了真真空状态,这个泡开始迅速膨胀,直到它成为我们的宇宙。在我们的气泡-宇宙中,暴胀已经消失,因此它在我们的宇宙中不再能被发现。因此,快子标志着一种古怪的量子状态,在这种状态中,物体移动得比光速更快,并且甚至可能违反因果律。但是,快子在很久以前消失了,并且可能早于宇宙本身的诞生。

对描写君王迫在眉睫的厄运、帝国的崩溃的剧作家们来说,预知同样是他们最喜爱的设定。在莎士比亚的《麦克白》中,预知对于该剧主题和麦克白的野心都起着至关重要的作用。麦克白遇到了三个女巫,她们预见他将崛起,成为苏格兰之王。他凶残的野心被女巫们的预言所点燃,开始了一系列血腥、可怕的行动消灭自己的敌人,包括杀害对手麦克德夫(Macduff)无辜的妻子和孩子。

这些超前波在由理査德·费曼进行研究之前是一个谜,他对回到过去这—构想产生了强烈的兴趣。在参与了制造出首枚原子弹的曼哈顿计划之后,费曼离开了洛斯阿拉莫斯,去了普林斯顿大学,在约翰·惠勒手下工作。在分析狄拉克在电子方面的原作时,费曼发现了某些非常奇怪的东西。如果他简单地将狄拉克方程中时间的方向反转,并且将电荷同样反转的话,方程就可以保持不变。换言之,一个在时间中后退的电子与一个在时间中前进的反电子是一样的!通常,一个成熟的物理学家或许会忽略这一解释,认为它仅仅是一个小把戏,一个不具备意义的数学小戏法。在时间中后退似乎没有任何意义,然而狄拉克的方程在这一点上却明白无误。换言之,费曼找到了自然允许这些时间倒退的解的原因:它们表现了反物质的运动!如果费曼是一位更资深的物理学家,他或许会将这个解抛到脑后。但作为一名地位不高的研究生,他决定进一步追求令他好奇的事物。

预知或者预见未来这样的事物是否存在?这一古老的概念在每一种宗教中都有所表现,可以追溯到古希腊和古罗马神谕,以及《旧约全书》(Old Testament)中的先知。但是,在这样的故事中,预言的天赋也可能是一种诅咒。古希腊神话中有卡桑德拉(Cassandra)的故事,她是特洛伊(Troy)国王之女。她的美貌吸引了太阳神阿波罗(Apollo)的注意。为了赢得她的青睐,阿波罗承诺给予她预见未来的能力。但是卡桑德拉傲慢地拒绝了阿波罗的求爱。阿波罗大发雷霆之下扭曲了他的礼物,如此一来,卡桑德拉能够预见未来,但没有人会相信她。当卡桑德拉警告特洛伊的民众他们的劫数行将到来时,没有人听她的话。她预言了特洛伊木马的秘密、阿伽门农(Agamemnon)之死,甚至还有她本人的死亡。但特洛伊人非但不听从她的话,反而认为她疯了,并且将她关了起来。

在犯下一系列骇人罪行夺得王位后,麦克白从女巫那里得知,他将永远不会在战斗中败北或“被人征服,除非有一天巨大的勃南森林(Birnam Wood)会冲着他向高处(邓锡南山,Dunsinane Hills)移动”,并且“没有一个妇人所生下的人可以伤害麦克白”。麦克白对这一预言感到宽慰,因为一片森林是无法移动的,所有人都是由妇人所生的。但是巨大的勃南森林真的移动了,麦克德夫的军队将自己隐藏在采自勃南森林的细枝之下,向着麦克白前进,并且麦克德夫本人是通过剖腹产出生的。

在莱因研究中心进行的详细测试似乎意味着有些人可以看到未来,即:他们能在卡片被揭开前识别出它们,但反复进行的实验证明这一效应非常有限,并且通常会在其他人试图重复实验结果的时候消失。

但是,如果在这之后改变反电子的电荷,它就成了一个在时间中倒退的普通电子。随后可以将同一幅示意图中时间的箭头改为反转。现在电子似乎在时间中前行了,然后再突然逆转方向。电子在时间中调了一个头,现在在时间里后退了,在这个过程中释放出能量的爆发。换言之,这是同一个电子。电子-反电子对消过程不过是同一个电子在时间中作出逆行造成的后果!

(费曼与他的论文导师约翰·韦勒随即推断,整个宇宙可能都是由这样—个在时间中曲折地前进、后退的电子构成。想象一下在最初的大爆炸混乱中产生的仅仅有一个电子,数万亿年后,这个电子将最终与世界末日的剧烈灾难相遇,在那时,它将调头,并且在时间中逆行,在这一过程中释放出一道射线。随即,它将回到最初的大爆炸时,并且随之进行另一次调头。这个电子随后会在大爆炸到世界末日之间进行重复的曲折前行、后退。21世纪,我们的宇宙不过是这个电子整个旅程中的一小片时间碎片,在其中我们看到数万亿电子和反电子,即可见的宇宙。尽管这个理论似乎很奇怪,但是它能解释一个量子理论中的奇特事实:为什么所有的电子都是一样的。在物理学中,电子无法进行归类。不存在“绿色电子”或者“约翰电子”。电子不具备个性特征。你无法像科学家们有时给野生动物戴上标签以进行研究那样,给一个电子“套上标签”。或许其原因就是整个宇宙是由同一个在时间中前后跳跃的电子构成。)

快子生活在一个古怪的世界中,那里的一切都移动得比光更快。随着快子失去能量,它们会移动得更快,这有违常识。事实上,如果丧失所有能量,它们就会以无限大的速度移动。然而,当快子获得能量,它们便减速,直到达到光速。

两大贵族将进行一场无益的长期战争

但是,如果反物质是回到过去的普通物质,那么将一条消息送回过去有可能吗?有可能把今天的《华尔街日报》送给你过去的自己,由此让你在股票市场上大发横财吗?

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