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假如宇宙中有且只有一个电子

时间: 2020年09月14日 | 作者: Takeko | 来源: 原理
早在几十年前,在一通看似平常的电话中,两位顶尖的物理学家已经在大脑中“颠覆”了时空。


克里斯托弗·诺兰的新片《信条》最近刷了屏。诺兰对“时空”的概念非常着迷,在多重梦境和五维空间后,诺兰开启了“逆转时空”的尝试。但不得不说,即使是最颠覆的大片故事,也远远比不上物理学家那些“最疯狂的脑洞”。电影中的主角也提到了一个物理学中“时间逆转”的故事。


时间回到1940年。一天,理查德·费曼正在普林斯顿研究生院休息。他突然接到了约翰·惠勒教授的一个电话。惠勒在电话里说:“费曼,我知道为什么所有电子都有一样的电荷和质量了。”


惠勒提到的这个问题,是量子世界中最具代表性的奇怪问题之一。从某种角度上来说,电子非常奇特——每一个电子都是一样的,所有电子都具有相同的质量,相同的电荷数,相同的自旋,相同的……换句话说,我们不仅无法根据电子的物理性质来区分它们,而且是根本没有办法区分它们。


如果想要根据电子的位置来确定特定的某个电子,需要精确测量其轨迹,而量子力学定律又“禁止”我们这么做。在两次测量之间,量子世界中的电子是概率性的,它们由波函数定义,波函数给出了在任一给定位置找到电子的几率。当多个电子的波函数重叠时,我们就不可能确定最初测量到的究竟是哪一个电子。


量子理论很好地解释了电子的这些行为,但它却没有回答一个更深层次的“为什么”的问题,那就是,为什么所有电子都是一样的?它们确实是一样的,但科学家却没有找到什么实际的理由来说明它们为何应当如此。许多人认为,无法区分的粒子就是无法区分的,因为宇宙就是如此,没有进一步的解释。


但惠勒不属于这类人。惠勒表面看起来少言寡语,他总是举止慎重,表现得很有礼貌。尤其和他最出色的学生之一费曼相比,许多人显然会认为费曼才是更加“不守规矩”的那一位。但实际上,惠勒的科学生涯甚至更偏离“主流”,在他循规蹈矩的外表之下,隐藏着一颗不走寻常路的心。物理学家保罗·哈尔彭曾做过一个类比,他认为惠勒和费曼刚好能形成完美的互补。惠勒喜欢感知性的哲学思考,经常产生独一无二的想法,就像“科学界的达·芬奇”,可以设计出巧妙的框架(但常常停留在草图阶段)。而费曼则精于计算,他像米开朗琪罗一样,是位出色的“科学雕塑家”,能亲手创作出令人叹为观止的作品。


显然,在那通电话里,惠勒又冒出了一个“离经叛道”的疯狂想法。


惠勒试图解释为什么所有电子都是一样的。他猜想,这是因为整个宇宙中其实只有一个电子。惠勒在电话中解释道:“假设世界线(world line,即粒子在时空中的一种‘轨迹’)不仅仅是在时间上行进,而是一个巨大的结。当我们沿着某个时间对应的平面切穿这个结,我们会看到许多许多世界线,它们代表了许多电子。如果有一条普通电子的时间线,而在其中的某一段上,电子在这里发生了逆转,从未来回到了过去,那么对于正确的时间和正确的四维速度来说,我们就得到了错误的符号,这就相当于改变了电荷的符号,因此,路径的那部分也就像一个正电子一样作用。”


简单来说,惠勒想象这是一个“单电子宇宙”,在电子的这场时空冒险中,唯一的粒子就是独一无二的主角。我们之所以认为世界上有很多电子,是因为我们只能看到某个时刻的场景,它是整个现实的一个剖面。在我们看到的这个场景中,同一个电子以不同“分身”出现,这些“分身”甚至可能相互作用。而在数学上,根据狄拉克方程,一个带负电的电子向过去运动,就相当于一个带正电的正电子向未来运动。


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 惠勒猜想,我们看到的电子,其实是“单电子宇宙”中唯一电子的世界线(绿)在某个时刻的剖面(蓝)上的“分身”。由于电子被光子散射,电子世界线的方向会发生变化。| 图片设计:雯雯子;素材参考:[5]


惠勒触及到了粒子物理学中很基本也是很奇怪的一点,那就是时间的流逝方向似乎并不重要。而结果就是,通过一些“简单”的方程,他就可以将一个在时间上后退的粒子转换成一个前进的粒子,而唯一可以观察到的变化就是粒子电荷的翻转,也就是电子变成了正电子。


当然,这种说法也有一些问题。费曼很快意识到,这无法解释电子和正电子在数量上的巨大差异。假如真如惠勒所说,电子和正电子应该数量相当,但事实截然相反。对此,惠勒的回答是,他觉得也许大多正电子都嵌在了质子或者其他什么东西里面。


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 如果真如惠勒所说,电子和正电子的数量应该相当。| 图片设计:雯雯子;素材参考:[6]


在这次电话交谈后,费曼和惠勒都没有再深究“单电子宇宙”。他们都清楚,这个想法非常疯狂,同时,也并没有什么显而易见的方式能检验它。但这次谈话也并非就此结束了,惠勒在谈话中提到的另一点,也就是正电子可以被看作“时间逆转”的电子,却在费曼的心中扎下了根,并由此发展出了新的东西。费曼曾经公开表示,这个想法就是他从惠勒那里“偷”来的。


费曼发现,借助惠勒所说的这种方式,可以简单直接地理解正电子,并且与方程吻合,计算起来也很容易。这也成了费曼著名的量子力学“时空观”的基石之一。


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 这张费曼图看起来就像一个电子与一个正电子碰撞,转变成一个光子,然后再转变成一个电子和一个正电子。


费曼用一种简洁而巧妙的视觉表达,直观地表述出了高深的数学,他创造的“粒子的波浪线之舞”大大简化了计算。在费曼图中,光子被画成波浪线,而电子和正电子被画成带有箭头的直线,箭头表示负电荷的流动方向。在线的旁边还有一个箭头,代表进出粒子的运动方向。这种创造性的表达为现代理论物理学带来了一场革命,很快,费曼图已经变得“无处不在”。


当然,这并不是说正电子真的是一个在时间上“逆转”的电子,这更多是一种对费曼图的物理理解。对费曼图的其他理解可能并不涉及“时间逆转”,但同样有效。在《约翰·惠勒自传:京子、黑洞和量子泡沫》中,惠勒本人同样表示,“正电子在质子中”的想法也并非一个值得认真思考的严谨说法。他写道:


“我当然知道,至少在宇宙中我们生活的这个角落里,电子比正电子要多得多。但我仍然觉得,想到时空中的轨迹可以在任何方向上不受约束地前进、后退、向上、向下、向左或者向右,这着实令人兴奋。”



参考来源:

[1]https://io9.gizmodo.com/what-if-every-electron-in-the-universe-was-all-the-same-5876966

[2]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/feynman/lecture/

[3]保罗·哈尔彭/著,齐师傍/译,《量子迷宫》,中信出版·鹦鹉螺,2020年5月

[4]https://screenrant.com/tenet-science-explained-entropy-time-inversion-annihilation/

[5]https://blogs.unimelb.edu.au/sciencecommunication/2017/10/23/the-only-electron/

[6]https://www.youtube.com/watch?v=9dqtW9MslFk


封面来源:Pixabay