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科學傢驗證“平行時空”:科幻情節走入現實世界?

近日,據《新科學傢》雜志報道,美國田納西州橡樹嶺國傢實驗室(橡樹嶺是人類歷史上第一枚原子彈的誕生之地)的物理學傢利婭·佈魯薩爾(LeahBroussard)和她的團隊,試圖在實驗室裡檢測鏡像平行宇宙是否存在,來解決在中子衰變研究領域已經存在瞭40年的一個難題。

用科幻設定來解決科學問題,這究竟是怎麼一回事?

何謂鏡像平行宇宙

其實,所謂科幻設定,本就是用來科學發現。比如鏡像平行宇宙,實際上涉及兩個基礎量子物理學概念,宇稱(鏡像對稱),以及概率解釋延伸出來的“平行時空”。

在我們生活裡,可以看到很多簡單鏡像,也就是左右對稱的圖形。在經典物理學領域,左右方向也是完全一致的,鏡子裡的世界跟鏡子外的世界都可以完美地存在。但在量子力學領域裡,這種對稱性被楊振寧和李政道發現的“宇稱不守恒”打破瞭,從而揭開瞭當時著名的“-之謎”,即在弱作用力(四種基礎作用力之一)參與的核反應過程中,宇稱是不守恒的。

不僅如此,楊、李還設計出瞭實驗來證明這種不守恒導致的效應,華人科學傢吳健雄女士很快做出瞭其中一個實驗,從而證明楊、李的理論是對的,推翻瞭長期以來默認的“宇稱守恒”,震驚瞭物理學界——在量子力學裡,鏡子裡面的世界,跟鏡子外面的世界,竟然是不一樣的。

至於平行宇宙,科幻迷已經很熟悉瞭。在量子的概率波解釋裡,關在箱子裡那隻可憐的“薛定諤的貓”,在被觀測之前,既是死的,也是活的,是兩種狀態的疊加態。在被觀測之後,它被理解變成隻有一種狀態,要麼是死的,要麼是活的。

那麼,另一種狀態哪裡去瞭?有一種解釋認為,另一種狀態依然存在,是我們的宇宙發生瞭分裂,在平行時空裡,那隻貓變成瞭另一種狀態。

量子世界的這種變化和解釋,跟我們生活經驗、經典物理是完全不一致的。對於這種“平行宇宙”解釋,同意者無法證實,反對者也無法證偽。看看,我們熟悉的科幻假定,竟然來自科學傢最初的異想天開。

中子衰變難題,逼出“鏡像平行宇宙實驗”

報道中的主角佈魯薩爾在著名的橡樹嶺國傢實驗室研究中子物理。中子,就是幾乎所有原子核裡都存在的那種不帶電的粒子。在原子核裡,它性質很穩定,可以長期存在。雖然有時也不老實,會發生衰變,從中子變成質子,順便扔出一個電子和一個中微子。

可中子一旦獲得瞭自由,它們立即進入衰老期,發生衰變,每過大約15分鐘就會損失一半(這個時間叫做“半衰期”)。

問題就出在對自由中子“大約15分鐘”的精確測量裡。中子物理學傢們有兩種方法來測量它,一種方法是將它們隔離在一個“瓶子陷阱”中,讓它安靜地待著,自由衰變,過一定時間後再數一數剩餘的數量;另一種方法是從核反應堆裡取出一束奔跑的中子,在奔跑路線上設卡計數,數中子衰變之後產生的質子數。可這兩種方式得到的半衰期結果總是大同小異——前者為14分39秒,後者為14分48秒。也就是說,大約900秒的時間,兩個結果差瞭9秒鐘。

40年來,中子物理學傢們絞盡腦汁想弄清楚,究竟是哪裡出瞭問題。

面對這個按照嚴謹的科學邏輯都無法圓上的“情節”,佈魯薩爾和同事們被迫祭出瞭科幻作傢常用的法寶:平行時空,而且是鏡像的。

這個解釋就是,可能真的存在鏡像平行宇宙,在奔跑的中子束裡有1%的中子,擁有穿越到鏡像平行宇宙的能力,它們也發生瞭衰變,隻是不是在我們這個宇宙發生的,那些衰變出來的質子就丟瞭,觀測結果就“顯得”半衰期長瞭一些。

實驗尚未展開,結果並不樂觀

怎麼證明“中子穿越到瞭鏡像平行宇宙”呢?佈魯薩爾的實驗設計看起來有些“異想天開”:她設想的是讓中子重新穿越回來。為此,要設置一堵厚墻,這堵墻是我們這個宇宙裡的中子無論如何也無法穿透的。

可按照“鏡像平行宇宙”假設,那一束奔跑的中子束裡,有些中子無需陷在墻裡,在其他中子迎頭撞墻,陷落在墻裡的時候,它們到另一個宇宙去逛瞭一圈,相當於繞過瞭墻,然後穿越回來,出現在瞭墻後面。

所以,科學傢的想法是在墻後設置探測裝置,抓住這些利用鏡像平行宇宙成功翻墻的“狡猾”中子。這樣一來,兩種測量中子半衰期的實驗就能獲得一致結果瞭。

不過目前來說,做出任何評價都還為時過早。因為這個實驗設想雖然完成瞭,何時開展還需待另一個前期實驗的結果分析。而主持那個實驗、還在分析數據的科學傢說:“盡管得到任何成果的可能性都很小,但這是一次簡單且不昂貴的實驗,如果一場物理學革命中可能會產生好的結果,那麼我們必須嘗試。”

也就是說,中子物理學傢們對這個問題已探索瞭40年,結果絕望地發現似乎在我們這個宇宙裡根本找不到答案,所以,那些帶有科幻色彩的想法就進入到瞭科學傢們的視野。又因為“簡單且不昂貴”,這樣腦洞大開的設想才可能被付諸實施。

如何理解科學傢檢驗“科幻設定”

實際上,這個事也可以幫我們理解,科學裡面的理論解釋和實驗驗證之間的關系。在現代科學裡,科學實驗是為瞭檢驗(證實或者證偽)某種科學理論猜想。也就是說,任何科學實驗在執行之前,都必須要有足夠的依據說明,它才是有價值的。

像這樣的鏡像平行時空的假設,從理論上而言,是並不太靠譜的,但是這個實驗設計有一個好處,就是其成本非常低,技術都是現成的,所以這個實驗才得以順利地進入到實施階段。

另一個啟發是,科學實驗設計的結論必須是開放的,任何一位科學傢都必須要接受科學實驗所給出的任何可能的結果:證實或者證偽。如果這個實驗在“不可能穿透的墻”後面真的探測到瞭中子信號,那麼,想必物理學傢們會大吃一驚,會有更多的同類實驗進行檢驗,也會有大批理論學者們對平行時空假設進行熱烈的探討,掀起一場物理學新革命。

當然還有一種可能性,也就是連設計者都認為的,就是這個實驗並未探測到任何中子信號。也就是說,至少這個實驗會降低“鏡像平行時空”這個假設存在的可能性——以後的科幻作傢用起這個概念也會更謹慎吧?

當然,這種雙重可能性恰恰是科學實驗最具魅力的地方。未來的答案究竟在什麼方向?連最前沿的物理學傢也不知道,所以,人們歡迎哪怕是最神奇的想法。

當然,“誰主張誰舉證”,提出想法的人必須像這位科學傢一樣,提出最好比較、成本較低的檢驗方案。但也必須承認,最終答案在哪裡,我們依然不知道。也可能多年後,人們回頭發現,即便是現在科學傢們最狂野的想象,也顯得過於保守瞭。

□孫正凡(天體物理學博士)

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