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科學家驗證“平行時空”:科幻情節走入現實世界?
華夏經緯網   2019-07-09 13:39:32   
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  自由中子有百分之一的可能性穿越到鏡像宇宙?科學界不拒絕哪怕最離奇的猜想,但要通過檢驗之后才能成為科學理論。

  近日,據《新科學家》雜志報道,美國田納西州橡樹嶺國家實驗室(橡樹嶺是人類歷史上第一枚原子彈的誕生之地)的物理學家利婭·布魯薩爾(Leah Broussard)和她的團隊,試圖在實驗室里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了40年的一個難題。

  用科幻設定來解決科學問題,這究竟是怎么一回事?

  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”。

  在我們生活里,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,鏡子里的世界跟鏡子外的世界都可以完美地存在。但在量子力學領域里,這種對稱性被楊振寧和李政道發現的“宇稱不守恒”打破了,從而揭開了當時著名的“-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、李還設計出了實驗來證明這種不守恒導致的效應,華人科學家吳健雄女士很快做出了其中一個實驗,從而證明楊、李的理論是對的,推翻了長期以來默認的“宇稱守恒”,震驚了物理學界——在量子力學里,鏡子里面的世界,跟鏡子外面的世界,竟然是不一樣的。

  至于平行宇宙,科幻迷已經很熟悉了。在量子的概率波解釋里,關在箱子里那只可憐的“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。在被觀測之后,它被理解變成只有一種狀態,要么是死的,要么是活的。

  那么,另一種狀態哪里去了?有一種解釋認為,另一種狀態依然存在,是我們的宇宙發生了分裂,在平行時空里,那只貓變成了另一種狀態。

  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。對于這種“平行宇宙”解釋,同意者無法證實,反對者也無法證偽??純?,我們熟悉的科幻假定,竟然來自科學家最初的異想天開。

  中子衰變難題,逼出“鏡像平行宇宙實驗”

  報道中的主角布魯薩爾在著名的橡樹嶺國家實驗室研究中子物理。中子,就是幾乎所有原子核里都存在的那種不帶電的粒子。在原子核里,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。

  可中子一旦獲得了自由,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”的精確測量里。中子物理學家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,過一定時間后再數一數剩余的數量;另一種方法是從核反應堆里取出一束奔跑的中子,在奔跑路線上設卡計數,數中子衰變之后產生的質子數??燒飭街址絞降玫降陌胨テ誚峁蓯譴笸∫臁罷呶?4分39秒,后者為14分48秒。也就是說,大約900秒的時間,兩個結果差了9秒鐘。

  40年來,中子物理學家們絞盡腦汁想弄清楚,究竟是哪里出了問題。

  面對這個按照嚴謹的科學邏輯都無法圓上的“情節”,布魯薩爾和同事們被迫祭出了科幻作家常用的法寶: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,在奔跑的中子束里有1%的中子,擁有穿越到鏡像平行宇宙的能力,它們也發生了衰變,只是不是在我們這個宇宙發生的,那些衰變出來的質子就丟了,觀測結果就“顯得”半衰期長了一些。

  實驗尚未展開,結果并不樂觀

  怎么證明“中子穿越到了鏡像平行宇宙”呢?布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里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里,有些中子無需陷在墻里,在其他中子迎頭撞墻,陷落在墻里的時候,它們到另一個宇宙去逛了一圈,相當于繞過了墻,然后穿越回來,出現在了墻后面。

  所以,科學家的想法是在墻后設置探測裝置,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了。

  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了,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家說:“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,那么我們必須嘗試?!?/P>

  也就是說,中子物理學家們對這個問題已探索了40年,結果絕望地發現似乎在我們這個宇宙里根本找不到答案,所以,那些帶有科幻色彩的想法就進入到了科學家們的視野。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。

  如何理解科學家檢驗“科幻設定”

  實際上,這個事也可以幫我們理解,科學里面的理論解釋和實驗驗證之間的關系。在現代科學里,科學實驗是為了檢驗(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,是并不太靠譜的,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,任何一位科學家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”后面真的探測到了中子信號,那么,想必物理學家們會大吃一驚,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,就是這個實驗并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——以后的科幻作家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么方向?連最前沿的物理學家也不知道,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家一樣,提出最好比較、成本較低的檢驗方案。但也必須承認,最終答案在哪里,我們依然不知道。也可能多年后,人們回頭發現,即便是現在科學家們最狂野的想象,也顯得過于保守了。

  □孫正凡(天體物理學博士)


來源:新京報(//www.bjnews.com.cn/)

 

責任編輯:徐亞旻

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