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  • 科学家验证“平行时空”:科幻情节真要走入现实世界?
  • 2019年07月09日 来源:新京报

导读:自由中子有百分之一的可能性穿越到镜像宇宙?科学界不拒绝哪怕最离奇的猜想,但要通过检验之后才能成为科学理论。实际上,科学家们也不抱乐观态度。

自由中子有百分之一的可能性穿越到镜像宇宙?科学界不拒绝哪怕最离奇的猜想,但要通过检验之后才能成为科学理论。实际上,科学家们也不抱乐观态度。

▲电影《降临》剧照

在科幻小说和影视文化里,网友们有一句吐槽非常生动形象:逻辑不通,平行时空;编不下去,量子战衣。就像灭霸打一个响指就能毁灭世界,重新loading进程一样,平行时空、量子不确定性,这些令人难以捉摸的科幻设定,让科幻故事主角拥有了“超能力”。

可是你知道吗?平时严谨到一丝不苟的科学家们,被科学难题逼到百般无奈之时,也会祭出“平行时空”这样不那么靠谱的设定,希望能解释在前沿科学里困扰科学家们数十年的不解之谜。

近日,据《新科学家》杂志(New Scientist)报道,田纳西州橡树岭国家实验室(橡树岭是人类历史上第一枚原子弹的诞生之地)的物理学家利娅•布鲁萨尔(Leah Broussard)和她的团队,试图在实验室里检测镜像平行宇宙是否存在,来解决在中子衰变研究领域已经存在了40年的一个难题。

用科幻设定来解决科学问题,这究竟是怎么一回事儿呢?

什么是镜像平行宇宙

其实,所谓科幻设定,本来就是用来进行科学发现。比如镜像平行宇宙,实际上涉及两个基础量子物理学概念,宇称(镜像对称),以及概率解释延伸出来的“平行时空”。

在我们生活里,可以看到很多简单镜像,也就是左右对称的图形。经典物理学领域,左右方向也是完全一致的,镜子里的世界跟镜子外的世界都可以完美地存在。但在量子力学领域里,这种对称性被杨振宁和李政道发现的“宇称不守恒”打破了,从而揭开了当时著名的“θ-τ之谜”,即在弱作用力(四种基础作用力之一)参与的核反应过程中,宇称是不守恒的。

不仅如此,杨、李还设计出了实验来证明这种不守恒导致的效应,华人科学家吴健雄女士很快做出了其中一个实验,从而证明杨、李的理论是对的,推翻了长期以来默认的“宇称守恒”,震惊了物理学界。——在量子力学里,镜子里面的世界,跟镜子外面的世界,竟然是不一样的。

所以,杨振宁和李政道在1956年10月发表了论文,吴健雄随后给了实验验证,诺贝尔奖委员会立刻在1957年把诺贝尔奖颁给了当时只有35岁的杨振宁和31岁的李政道。

至于平行宇宙,科幻迷已经很熟悉了。在量子的概率波解释里,关在箱子里那只可怜的“薛定谔的猫”,在被观测之前,既是死的,也是活的,是两种状态的叠加态。在被观测之后,把它理解变成只有一种状态,要么是死的,要么是活的。

那么,另一种状态哪里去了?有一种解释认为,另一种状态依然存在,是我们的宇宙发生了分裂,在平行时空里,那只猫变成了另一种状态。量子世界的这种变化和解释,跟我们生活经验、经典物理是完全不一致的。可量子世界的规律恰恰如此,对于这种“平行宇宙”解释,同意者无法证实,反对者也无法证伪。那就……随他去吧。看看,我们熟悉的科幻假定,竟然来自科学家最初的异想天开。

▲电影《星际穿越》剧照

中子衰变难题40年,逼出了“镜像平行宇宙实验”

报道中的主角利娅•布鲁萨尔(Leah Broussard)在著名的橡树岭国家实验室研究中子物理。中子,就是几乎所有原子核里都存在的那种不带电的粒子。它有一种奇特的性质,在原子核里它性质很稳定,可以长期存在,虽然有时候也不老实,会发生衰变,从中子变成质子,顺便扔出来一个电子和一个中微子(让杨、李替华人拿到第一个诺贝尔奖的,就是这样一种核衰变)。

可如果中子一旦获得了自由,它们立即进入衰老期,发生衰变,每过大约15分钟就会损失一半(这个时间叫做“半衰期”)。

问题就出在对自由中子“大约15分钟”的精确测量里。中子物理学家们有两种方法来测量它,一种方法是将它们隔离在一个“瓶子陷阱”中,让它安静地待着,自由衰变,过一定时间后在数一数剩余的数量;另一种方法是从核反应堆里取出一束奔跑的中子,在奔跑路线上设卡计数,数中子衰变之后产生的质子数。可这两种方式得到的半衰期结果总是大同小异——前者为14分39秒,后者为14分48秒。也就是说,大约900秒的时间,两个结果差了9秒钟。

无论是原子弹诞生地的科学家,还是其他国家的科学家们,无数次重复这两类实验,差异总是存在——不是哪个科学家粗心弄错了,或者是实验仪器的问题。40年来,中子物理学家们绞尽脑汁想弄清楚,究竟是哪里出了问题导致这种结果不一致——无论是牛顿还是爱因斯坦都向我们拍着胸脯保证过,无论是安静的、还是奔跑的粒子,它们的规律应该是一样的啊。

就像在科幻故事里那样,面对在我们这个世界,按照严谨的科学逻辑打死都无法圆上的“情节”,橡树岭国家实验室的利娅•布鲁萨尔和同事们被迫祭出了科幻作家常用的法宝:平行时空,而且是镜像的。

这个解释就是,可能真的存在镜像平行宇宙,在奔跑的中子束里有1%的中子,拥有穿越到镜像平行宇宙的能力,它们也发生了衰变,只是不是在我们这个宇宙发生的,那些衰变出来的质子就丢了,观测结果就“显得”半衰期长了一些。(这个猜想,是在2012年一篇论文里提到的。)

实验尚未展开,结果并不乐观

怎么证明“中子穿越到了镜像平行宇宙”呢?布鲁萨尔的实验设计看起来有些“异想天开”:她设想的是让中子重新穿越回来。为此,要设置一堵厚墙,这堵墙是我们这个宇宙里的中子无论如何无法穿透的。

可按照“镜像平行宇宙”假设,那一束奔跑的中子束里,有些中子无须陷在墙里,在其他中子迎头撞墙,陷落在墙里的时候,它们到另一个宇宙去逛了一圈,相当于绕过了墙,然后穿越回来,出现在了墙后面。

所以,科学家们的想法是在墙后面设置探测装置,抓住这些利用镜像平行宇宙成功翻墙的“狡猾”中子。这样一来,两种测量中子半衰期的实验就可以获得一致结果了。

不过目前来说,做出任何评价都还为时过早。因为这个实验设想虽然完成了,何时开展还需要等待另一个前期实验的结果分析。而主持那个实验、还在分析数据的科学家说:“尽管得到任何成果的可能性都很小,但这是一次简单且并不昂贵的实验,如果一场物理学革命中可能会产生好的结果,那么我们必须尝试。”

听听,取得成功的“可能性很小”,那么为什么还要做这些实验呢?因为“简单且并不昂贵”。也就是说,因为中子物理学家们对这个问题已经探索了40年,结果绝望地发现,其似乎在我们这个宇宙里根本找不到答案,所以,那些带有科幻色彩的想法就进入了科学家们的视野。又因为成本实在便宜,这样脑洞大开的设想才可能被付诸实施。

也就是说,它可能是一次改变科学进程的伟大实验,但概率实在太小,更可能是若干年后我们开科学家们的玩笑才会想起来的趣闻而已。

如何理解科学家检验“科幻设定”

爱因斯坦在他的科普著作《物理学的进化》里,曾把科学研究比作一个侦探在破案。但是,跟一般侦探小说不一样的是,科学家们不可能先翻到结尾去看最后答案。在破案过程当中,没有任何人能够事先知道最终答案是什么,什么时候才会出现。甚至更为尴尬的是,像霍金这样的科学家还认为,我们未必能够有最终答案。

然而,在一个所有人都束手无策的科学难题上,科学家们不会拒绝任何的可能性,哪怕是“镜像平行时空”这样连设计者都未必真正相信的解释。但是,科学家们也不会停留在科幻设想上,要想承认或者否定(证实或者证伪),就必须寻找能够说明问题的实验证据。

实际上,这个事也可以帮我们理解,科学里面的理论解释和实验验证之间的关系。在现代科学里,科学实验是为了检验(证实或者证伪)某种科学理论猜想。也就是说,任何科学实验在执行之前,都必须要有足够的依据说明,它才是有价值的。像这样的镜像平行时空的假设,从理论上而言,是并不太靠谱的,但是这个实验设计有一个好处,就是他的成本非常低,技术都是现成的,所以这个实验才得以顺利地进入到实施阶段。

另一个启发是,科学实验设计的结论必须是开放的,任何一位科学家都必须要接受科学实验所给出来的任何可能的结果:证实或者证伪。如果这个实验在“不可能穿透的墙”后面真的探测到了中子信号,那么,想必物理学家们会大吃一惊,会有更多的同类实验进行检验,也会有大批理论学者们对平行时空假设进行热烈的探讨,掀起一场物理学新革命。

当然还有一种可能性,也就是连设计者都认为的,就是这个实验并没有探测到任何中子信号。也就是说,至少这个实验会降低“镜像平行时空”这个假设存在的可能性——以后的科幻作家用起这个概念也会更谨慎吧?

当然,这种双重可能性恰恰是科学实验最具有魅力的地方。对于很多世界著名的大科学装置——比如,欧洲核子中心的大型强子对撞机,一些科学评论写道,如果它能够按照理论预期,做出一些科学发现,我们可以欢呼,这是现代物理学的伟大胜利。

但是,科学家们内心深处,可能更期待它们给出不一样的结果。这会让科学家们更为兴奋,因为这意味着实验指出了现在的科学物理模型存在的问题和缺陷,迫使物理学家们超越它,在更深层次上对现代物理进行革命。

但是,未来的答案究竟在什么方向?连最前沿的物理学家们也并不知道,所以人人欢迎哪怕是最神奇的想法。当然“谁主张谁举证”,提出想法的人必须像这位科学家一样,提出最好比较成本比较低的检验方案。我们也必须承认,最终答案在哪里,我们依然不知道。也可能在多少年之后,人们回过头来看历史,发现即便是现在科学家们最狂野的想象,也显得过于保守了。

 



责任编辑:郑伊丹