克里斯托弗·諾蘭的新片《信條》最近刷了屏。諾蘭對“時(shí)空”的概念非常著(zhù)迷，在多重夢(mèng)境和五維空間后，諾蘭開(kāi)啟了“逆轉時(shí)空”的嘗試。但不得不說(shuō)，即使是最顛覆的大片故事，也遠遠比不上物理學(xué)家那些“最瘋狂的腦洞”。電影中的主角也提到了一個(gè)物理學(xué)中“時(shí)間逆轉”的故事。
早在幾十年前，在一通看似平常的電話(huà)中，兩位頂尖的物理學(xué)家已經(jīng)在大腦中“顛覆”了時(shí)空。
時(shí)間回到1940年。一天，理查德·費曼正在普林斯頓研究生院休息。他突然接到了約翰·惠勒教授的一個(gè)電話(huà)?；堇赵陔娫?huà)里說(shuō)：“費曼，我知道為什么所有電子都有一樣的電荷和質(zhì)量了?！?/span>
惠勒提到的這個(gè)問(wèn)題，是量子世界中最具代表性的奇怪問(wèn)題之一。從某種角度上來(lái)說(shuō)，電子非常奇特——每一個(gè)電子都是一樣的，所有電子都具有相同的質(zhì)量，相同的電荷數，相同的自旋，相同的……換句話(huà)說(shuō)，我們不僅無(wú)法根據電子的物理性質(zhì)來(lái)區分它們，而且是根本沒(méi)有辦法區分它們。
如果想要根據電子的位置來(lái)確定特定的某個(gè)電子，需要精確測量其軌跡，而量子力學(xué)定律又“禁止”我們這么做。在兩次測量之間，量子世界中的電子是概率性的，它們由波函數定義，波函數給出了在任一給定位置找到電子的幾率。當多個(gè)電子的波函數重疊時(shí)，我們就不可能確定最初測量到的究竟是哪一個(gè)電子。
量子理論很好地解釋了電子的這些行為，但它卻沒(méi)有回答一個(gè)更深層次的“為什么”的問(wèn)題，那就是，為什么所有電子都是一樣的？它們確實(shí)是一樣的，但科學(xué)家卻沒(méi)有找到什么實(shí)際的理由來(lái)說(shuō)明它們?yōu)楹螒斎绱?。許多人認為，無(wú)法區分的粒子就是無(wú)法區分的，因為宇宙就是如此，沒(méi)有進(jìn)一步的解釋。
但惠勒不屬于這類(lèi)人?；堇毡砻婵雌饋?lái)少言寡語(yǔ)，他總是舉止慎重，表現得很有禮貌。尤其和他最出色的學(xué)生之一費曼相比，許多人顯然會(huì )認為費曼才是更加“不守規矩”的那一位。但實(shí)際上，惠勒的科學(xué)生涯甚至更偏離“主流”，在他循規蹈矩的外表之下，隱藏著(zhù)一顆不走尋常路的心。物理學(xué)家保羅·哈爾彭曾做過(guò)一個(gè)類(lèi)比，他認為惠勒和費曼剛好能形成完美的互補?；堇障矚g感知性的哲學(xué)思考，經(jīng)常產(chǎn)生獨一無(wú)二的想法，就像“科學(xué)界的達·芬奇”，可以設計出巧妙的框架（但常常停留在草圖階段）。而費曼則精于計算，他像米開(kāi)朗琪羅一樣，是位出色的“科學(xué)雕塑家”，能親手創(chuàng )作出令人嘆為觀(guān)止的作品。
顯然，在那通電話(huà)里，惠勒又冒出了一個(gè)“離經(jīng)叛道”的瘋狂想法。
惠勒試圖解釋為什么所有電子都是一樣的。他猜想，這是因為整個(gè)宇宙中其實(shí)只有一個(gè)電子?；堇赵陔娫?huà)中解釋道：“假設世界線(xiàn)（world line，即粒子在時(shí)空中的一種‘軌跡’）不僅僅是在時(shí)間上行進(jìn)，而是一個(gè)巨大的結。當我們沿著(zhù)某個(gè)時(shí)間對應的平面切穿這個(gè)結，我們會(huì )看到許多許多世界線(xiàn)，它們代表了許多電子。如果有一條普通電子的時(shí)間線(xiàn)，而在其中的某一段上，電子在這里發(fā)生了逆轉，從未來(lái)回到了過(guò)去，那么對于正確的時(shí)間和正確的四維速度來(lái)說(shuō)，我們就得到了錯誤的符號，這就相當于改變了電荷的符號，因此，路徑的那部分也就像一個(gè)正電子一樣作用?！?/span>
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，惠勒想象這是一個(gè)“單電子宇宙”，在電子的這場(chǎng)時(shí)空冒險中，唯一的粒子就是獨一無(wú)二的主角。我們之所以認為世界上有很多電子，是因為我們只能看到某個(gè)時(shí)刻的場(chǎng)景，它是整個(gè)現實(shí)的一個(gè)剖面。在我們看到的這個(gè)場(chǎng)景中，同一個(gè)電子以不同“分身”出現，這些“分身”甚至可能相互作用。而在數學(xué)上，根據狄拉克方程，一個(gè)帶負電的電子向過(guò)去運動(dòng)，就相當于一個(gè)帶正電的正電子向未來(lái)運動(dòng)。
惠勒猜想，我們看到的電子，其實(shí)是“單電子宇宙”中唯一電子的世界線(xiàn)（綠）在某個(gè)時(shí)刻的剖面（藍）上的“分身”。由于電子被光子散射，電子世界線(xiàn)的方向會(huì )發(fā)生變化。| 圖片設計：雯雯子；素材參考：[5]
惠勒觸及到了粒子物理學(xué)中很基本也是很奇怪的一點(diǎn)，那就是時(shí)間的流逝方向似乎并不重要。而結果就是，通過(guò)一些“簡(jiǎn)單”的方程，他就可以將一個(gè)在時(shí)間上后退的粒子轉換成一個(gè)前進(jìn)的粒子，而唯一可以觀(guān)察到的變化就是粒子電荷的翻轉，也就是電子變成了正電子。
當然，這種說(shuō)法也有一些問(wèn)題。費曼很快意識到，這無(wú)法解釋電子和正電子在數量上的巨大差異。假如真如惠勒所說(shuō)，電子和正電子應該數量相當，但事實(shí)截然相反。對此，惠勒的回答是，他覺(jué)得也許大多正電子都嵌在了質(zhì)子或者其他什么東西里面。
如果真如惠勒所說(shuō)，電子和正電子的數量應該相當。| 圖片設計：雯雯子；素材參考：[6]
在這次電話(huà)交談后，費曼和惠勒都沒(méi)有再深究“單電子宇宙”。他們都清楚，這個(gè)想法非常瘋狂，同時(shí)，也并沒(méi)有什么顯而易見(jiàn)的方式能檢驗它。但這次談話(huà)也并非就此結束了，惠勒在談話(huà)中提到的另一點(diǎn)，也就是正電子可以被看作“時(shí)間逆轉”的電子，卻在費曼的心中扎下了根，并由此發(fā)展出了新的東西。費曼曾經(jīng)公開(kāi)表示，這個(gè)想法就是他從惠勒那里“偷”來(lái)的。
費曼發(fā)現，借助惠勒所說(shuō)的這種方式，可以簡(jiǎn)單直接地理解正電子，并且與方程吻合，計算起來(lái)也很容易。這也成了費曼著(zhù)名的量子力學(xué)“時(shí)空觀(guān)”的基石之一。
這張費曼圖看起來(lái)就像一個(gè)電子與一個(gè)正電子碰撞，轉變成一個(gè)光子，然后再轉變成一個(gè)電子和一個(gè)正電子。
費曼用一種簡(jiǎn)潔而巧妙的視覺(jué)表達，直觀(guān)地表述出了高深的數學(xué)，他創(chuàng )造的“粒子的波浪線(xiàn)之舞”大大簡(jiǎn)化了計算。在費曼圖中，光子被畫(huà)成波浪線(xiàn)，而電子和正電子被畫(huà)成帶有箭頭的直線(xiàn)，箭頭表示負電荷的流動(dòng)方向。在線(xiàn)的旁邊還有一個(gè)箭頭，代表進(jìn)出粒子的運動(dòng)方向。這種創(chuàng )造性的表達為現代理論物理學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)革命，很快，費曼圖已經(jīng)變得“無(wú)處不在”。
當然，這并不是說(shuō)正電子真的是一個(gè)在時(shí)間上“逆轉”的電子，這更多是一種對費曼圖的物理理解。對費曼圖的其他理解可能并不涉及“時(shí)間逆轉”，但同樣有效。在《約翰·惠勒自傳：京子、黑洞和量子泡沫》中，惠勒本人同樣表示，“正電子在質(zhì)子中”的想法也并非一個(gè)值得認真思考的嚴謹說(shuō)法。他寫(xiě)道：
“我當然知道，至少在宇宙中我們生活的這個(gè)角落里，電子比正電子要多得多。但我仍然覺(jué)得，想到時(shí)空中的軌跡可以在任何方向上不受約束地前進(jìn)、后退、向上、向下、向左或者向右，這著(zhù)實(shí)令人興奮。”
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