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，但要通過檢驗之後才能成為科學理論。實際上，科學家們也不抱樂觀態度。
▲電影《降臨》劇照
文 |孫正凡
在科幻小說和影視文化裡，網友們有一句吐槽非常生動形象：邏輯不通，平行時空；編不下去，量子戰衣。就像滅霸打一個響指就能毀滅世界，重新loading進程一樣，平行時空、量子不確定性，這些令人難以捉摸的科幻設定，讓科幻故事主角擁有了「超能力」。
可是你知道嗎？平時嚴謹到一絲不苟的科學家們，被科學難題逼到百般無奈之時，也會祭出「平行時空」這樣不那麼靠譜的設定，希望能解釋在前沿科學裡困擾科學家們數十年的不解之謎。
近日，據《新科學家》雜誌（New Scientist）報導，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，試圖在實驗室裡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，這究竟是怎麼一回事兒呢？
什麼是鏡像平行宇宙
其實，所謂科幻設定，本來就是用來進行科學發現。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」。
在我們生活裡，可以看到很多簡單鏡像，也就是左右對稱的圖形。經典物理學領域，左右方向也是完全一致的，鏡子裡的世界跟鏡子外的世界都可以完美地存在。但在量子力學領域裡，這種對稱性被楊振寧和李政道發現的「宇稱不守恆」打破了，從而揭開了當時著名的「θ-τ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，宇稱是不守恆的。
不僅如此，楊、李還設計出了實驗來證明這種不守恆導致的效應，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「宇稱守恆」，震驚了物理學界。——在量子力學裡，鏡子裡面的世界，跟鏡子外面的世界，竟然是不一樣的。
所以，楊振寧和李政道在1956年10月發表了論文，吳健雄隨後給了實驗驗證，諾貝爾獎委員會立刻在1957年把諾貝爾獎頒給了當時只有35歲的楊振寧和31歲的李政道。
至於平行宇宙，科幻迷已經很熟悉了。在量子的概率波解釋裡，關在箱子裡那只可憐的「薛丁格的貓」，在被觀測之前，既是死的，也是活的，是兩種狀態的疊加態。在被觀測之後，把它理解變成只有一種狀態，要麼是死的，要麼是活的。
那麼，另一種狀態哪裡去了？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，在平行時空裡，那隻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。可量子世界的規律恰恰如此，對於這種「平行宇宙」解釋，同意者無法證實，反對者也無法證偽。那就……隨他去吧。看看，我們熟悉的科幻假定，竟然來自科學家最初的異想天開。
▲電影《星際穿越》劇照
中子衰變難題40年，逼出了「鏡像平行宇宙實驗」
報導中的主角利婭•布魯薩爾（Leah Broussard）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裡都存在的那種不帶電的粒子。它有一種奇特的性質，在原子核裡它性質很穩定，可以長期存在，雖然有時候也不老實，會發生衰變，從中子變成質子，順便扔出來一個電子和一個中微子（讓楊、李替華人拿到第一個諾貝爾獎的，就是這樣一種核衰變）。
可如果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」的精確測量裡。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，過一定時間後在數一數剩餘的數量；另一種方法是從核反應堆裡取出一束奔跑的中子，在奔跑路線上設卡計數，數中子衰變之後產生的質子數。可這兩種方式得到的半衰期結果總是大同小異——前者為14分39秒，後者為14分48秒。也就是說，大約900秒的時間，兩個結果差了9秒鐘。
無論是原子彈誕生地的科學家，還是其他國家的科學家們，無數次重複這兩類實驗，差異總是存在——不是哪個科學家粗心弄錯了，或者是實驗儀器的問題。40年來，中子物理學家們絞盡腦汁想弄清楚，究竟是哪裡出了問題導致這種結果不一致——無論是牛頓還是愛因斯坦都向我們拍著胸脯保證過，無論是安靜的、還是奔跑的粒子，它們的規律應該是一樣的啊。
就像在科幻故事裡那樣，面對在我們這個世界，按照嚴謹的科學邏輯打死都無法圓上的「情節」，橡樹嶺國家實驗室的利婭•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，在奔跑的中子束裡有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。（這個猜想，是在2012年一篇論文裡提到的。）
實驗尚未展開，結果並不樂觀
怎麼證明「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，要設置一堵厚牆，這堵牆是我們這個宇宙裡的中子無論如何無法穿透的。
可按照「鏡像平行宇宙」假設，那一束奔跑的中子束裡，有些中子無須陷在牆裡，在其他中子迎頭撞牆，陷落在牆裡的時候，它們到另一個宇宙去逛了一圈，相當於繞過了牆，然後穿越回來，出現在了牆後面。
所以，科學家們的想法是在牆後面設置探測裝置，抓住這些利用鏡像平行宇宙成功翻牆的「狡猾」中子。這樣一來，兩種測量中子半衰期的實驗就可以獲得一致結果了。
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，何時開展還需要等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：「儘管得到任何成果的可能性都很小，但這是一次簡單且並不昂貴的實驗，如果一場物理學革命中可能會產生好的結果，那麼我們必須嘗試。」
聽聽，取得成功的「可能性很小」，那麼為什麼還要做這些實驗呢？因為「簡單且並不昂貴」。也就是說，因為中子物理學家們對這個問題已經探索了40年，結果絕望地發現，其似乎在我們這個宇宙裡根本找不到答案，所以，那些帶有科幻色彩的想法就進入了科學家們的視野。又因為成本實在便宜，這樣腦洞大開的設想才可能被付諸實施。
也就是說，它可能是一次改變科學進程的偉大實驗，但概率實在太小，更可能是若干年後我們開科學家們的玩笑才會想起來的趣聞而已。
如何理解科學家檢驗「科幻設定」
愛因斯坦在他的科普著作《物理學的進化》裡，曾把科學研究比作一個偵探在破案。但是，跟一般偵探小說不一樣的是，科學家們不可能先翻到結尾去看最後答案。在破案過程當中，沒有任何人能夠事先知道最終答案是什麼，什麼時候才會出現。甚至更為尷尬的是，像霍金這樣的科學家還認為，我們未必能夠有最終答案。
然而，在一個所有人都束手無策的科學難題上，科學家們不會拒絕任何的可能性，哪怕是「鏡像平行時空」這樣連設計者都未必真正相信的解釋。但是，科學家們也不會停留在科幻設想上，要想承認或者否定（證實或者證偽），就必須尋找能夠說明問題的實驗證據。
實際上，這個事也可以幫我們理解，科學裡面的理論解釋和實驗驗證之間的關係。在現代科學裡，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，是並不太靠譜的，但是這個實驗設計有一個好處，就是他的成本非常低，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來的任何可能的結果：證實或者證偽。如果這個實驗在「不可能穿透的牆」後面真的探測到了中子信號，那麼，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，就是這個實驗並沒有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——以後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有魅力的地方。對於很多世界著名的大科學裝置——比如，歐洲核子中心的大型強子對撞機，一些科學評論寫道，如果它能夠按照理論預期，做出一些科學發現，我們可以歡呼，這是現代物理學的偉大勝利。
但是，科學家們內心深處，可能更期待它們給出不一樣的結果。這會讓科學家們更為興奮，因為這意味著實驗指出了現在的科學物理模型存在的問題和缺陷，迫使物理學家們超越它，在更深層次上對現代物理進行革命。
但是，未來的答案究竟在什麼方向？連最前沿的物理學家們也並不知道，所以人人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，提出最好比較成本比較低的檢驗方案。我們也必須承認，最終答案在哪裡，我們依然不知道。也可能在多少年之後，人們回過頭來看歷史，發現即便是現在科學家們最狂野的想像，也顯得過於保守了。
□孫正凡（天體物理學博士）
編輯：李冰冰 校對：李立軍
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