橡树岭正在证明“镜像平行时空”:假如还有一个你……

近日,《新科学家》杂志报道,美国橡树岭国家实验室的物理学家利娅.布鲁萨尔(Leah Broussard),试图在实验室里,检测镜像平行宇宙是否存在。

橡树岭实验室位于田纳西州,是美国最著名的科学研究机构之一,人类历史上第一颗原子弹的诞生地。

很多人以为平行宇宙是科幻文章中提出来的,其实不是,这是一个经典的量子力学概念。平行宇宙的概念来自于多维世界,是60年前美国工程师休.埃弗雷特在其硕士论文中提出来的。

我们知道,量子力学中有一个伟大的猫,叫做薛定谔的猫。这只猫被放在随时可能发射致命辐射的封闭箱子里(发生的概率并不清楚,因为辐射材料何时发生辐射是偶然的),因此,在箱子被打开之前,这只猫可能已经被辐射死了,也可能没发生辐射还活着。因此,这只猫,在打开箱子之前,同时处于生和死的叠加态。这就是薛定谔的猫。

当然,薛定谔的猫是电子、中子等等这种微观层面的粒子的代称,也就是说围绕原子核运动的电子,我们检测到有可能在A轨道,也有可能在B轨道,但是从A轨道到B轨道之间的状态,我们从未检测到。也就是说,电子的轨道有两种互相不同状态,而且都是合理的。

量子力学,确实很让人费解,科学家们也分成了两派。一派是波尔,他认为,人一旦检测,电子状态就会坍塌到确定的某个轨道,如果不检测就不会。也就是说,量子态在宏观上是坍塌的状态,所谓的坍塌,就是固定到一种形式。

薛定谔弄了这只猫的比喻,是为了恶心波尔,因为他和爱因斯坦都不相信坍塌一说,这只又死又活的猫,成功的恶心到了波尔。薛定谔的量子力学基本方程,解释了很多量子层面的问题,指导了原子弹等的开发。


薛定谔方程描述了微观粒子的状态随时间变化的规律,它在量子力学中的地位,相当于经典力学中的牛顿定律。(力学发展到近代,变成了经典力学+量子力学两大分支,经典力学解释宏观现象、量子力学解释微观现象。)

在过去的20年里,微观粒子的多种状态(这是被检测到的事实)始终困惑着物理学家和哲学家,因为无法打通微观与宏观的联系,很多解释都是基于波尔的坍缩理论,也就是宏观来自于微观各种叠加态的快速坍缩,也有数学方法去描述这个过程。但是,无法证明这是个事实,虽然薛定谔给出了伟大的薛定谔方程,这个方程在宏观上失效。

但是埃弗雷特则提供了另一条途径。虽然终其一生,他再也没有从事理论物理的研究,而成为了国防工业局的一名工程师。他的思想,被越来越多的人所接受。

他认为不会发生坍缩,宇宙中的每一个事物都以薛定谔方程给出的波动力学方式运动。他提出,我们看到的类似坍缩的现象只不过是因为我们本身也是量子世界的一部分,因此也处于不同的叠加态中。埃弗雷特认为,量子理论为现实世界提供了它自己的解释,即宇宙分裂成了多个平行的世界。

也就是说,宏观和微观是一致的,宏观上我们所看到的固定状态,其实也是多种状态的一种,其他的那些状态,存在于另外的时空,但是所有的状态都是指的同一个宏观物体。

由于各个时空的状态是同样的本体,而我们所看不到或者理解不到的另外一个我们所在的地方,称为镜像平行时空。

杨振宁和李政道发现了量子力学的“宇称不守恒”。什么意思呢?就是在核反应过程(起作用的是弱作用力)中,并不是1+1=2,有些东西消失了,或者增加了,反映在作用力上,就是不守恒。

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。

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,另一种状态在平行时空里。

而报道中的主角利娅 布鲁萨尔(Leah Broussard),主要研究中子。

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。但是,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(杨振宁李政道的诺贝尔奖,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总是有差别——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。

40多年来,诸多物理学家重复这个实验,都是这个结论,也就排除了实验仪器和粗心导致的结果不可靠的问题。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。

橡树岭的科学家,于是从埃弗雷特的理论中,发现只有存在平行时空,而且是镜像的,这个差距才是合理的。也就是说,设卡计数的方式里面,有的中子衰变的质子,“跑”到平行空间去了,后来衰变的中子出来的质子,才“匆匆赶上”,所以才会发生时间慢了9秒钟的事情。或者说,有的中子在另外的空间衰变了,但是我们这个空间检测不到了。

那么,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。

于是,按照“镜像平行宇宙”假设,那一束奔跑的中子束里,有些中子因为不被墙所挡着,就可以一直奔跑,但是有部分中子迎头撞墙,陷落在墙里。按照假设,它们陷入进墙壁,就不能出来。但是,如果存在平行时空,它们可以到另一个宇宙去逛一圈,然后穿越回来,这样就不受墙壁的束缚。

如果陷入墙壁的中子,出现在了墙后面,那就说明了平行时空是存在的。

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,而镜像平行时空,也就合理的存在了。

不过,目前来说,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。前期实验估计就是在发明那堵墙,这依旧是个非常挑战性的实验,所以我们只能拭目以待。

如果还有一个你,在另外一个世界,你是怎么对待呢?那可不仅仅是镜子,这个世界的你和另外所有世界的你,才是完整的你。作为一部分的你,到底该怎么办呢?

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