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第11章 10.反物質和反宇宙

不可思議的物理 加来道雄 9915 2018-03-20
”(我發現了!),而是“真奇怪……” 在丹·布朗的書(Angel and Demons)——之前的暢銷書中,一小幫極端主義者“光明會”策劃了一次陰謀,用一枚從日內瓦市外的核實驗室CERN偷來的反物質彈炸毀了梵蒂岡。陰謀家們知道,當物質和反物質相互碰撞會造成一場巨大的爆炸,比氫彈的威力大上許多倍。儘管反物質彈純屬虛構,但反物質卻是真實的。 一枚原子彈全部的驚人威力只有約1%有效。只有很小一部分鈾轉變成了能量。但如果反物質彈能被製造出來,它將把自身100%的質量轉變為能盤,這使它遠比原子彈有效力(更精確一點說,一枚反物質彈中50%的材料能被轉化為可使用的爆炸性能量。其餘將以探測不到的粒子——稱為中微子的形式被帶走)。

長期以來,反物質一直是受到熱烈思索的焦點。儘管反物質彈不存在,但物理學家已經使用強大的核粒子加速器製造出極小量的反物質用於研究。 在20世紀初,物理學家意識到原子由帶電荷的亞原子粒子與繞一個微小原子核(帶正電荷)轉動的電子組成(帶負電荷)。原子核反過來由質子(帶正電荷)和中子(帶電呈中性)組成。 因此,當20世紀30年代物理學家們意識到每一顆粒子都有一個孿生兄弟——一顆反粒子,但具有相反的電荷時,事情很讓人震驚。第一個被發現的反粒子是反電子(稱為正電子),具有正電荷。正電子與電子在所有方面都完全一樣,除了它攜帶相反的電荷。它最初是在雲霧室中拍攝的宇宙射線照片裡被發現的(正電子軌跡在雲霧室中能相當容易地看到。當被置於一個強大的磁場中時,它們轉向與普通電子相反的方向。事實上,我在上高中時拍攝過這樣的反物質軌跡)。

在1955年,加利福尼亞大學伯克利分校的粒子加速器貝韋特朗(Bevatron)製造出了第一顆反質子。正如預期的那樣,它與質子完全相同——除了它具有負電荷。這意味著,我們可以製造出反原子(由正電子圍著反質子轉動)。其實,在理論上,反元素、反化學、反人類、反地球甚至反宇宙都是可能的。 目前,在CERN和芝加哥市外的費米國家實驗室(Fermi lab)的巨大粒子加速器已經能夠製造微量反氫(這是通過使用粒子加速器將一束高能量質子發射進入目標,由此製造大量亞原子殘骸而成。強大的磁鐵分離出反質子,它們被減慢到非常低的速度,並且隨後暴露在由鈉-22自然放射出的反電子之下。當反電子環繞反質子轉動時,它們製造出了反氫,因為氫原子是由一個質子和一個電子組成的)。在純淨的真空中,這些反原子能夠永遠存在,但由於雜質和與牆壁的相撞,這些反原子最終會撞擊普通的原子,被對消,釋放出能量。

1995年,CERN創造了歷史,它宣布已經製造出9個反氫原子。費米國家實驗室很快依樣畫葫蘆地製造出了100個反氫原子?原則上,除了驚人的花費以外,沒有什麼能夠阻止我們同樣製造出更高級的反元素。哪怕是製造幾盎司的反原子,都會讓任何一個國家破產。目前反物質的產量在每年1/100億克到1/10億克之間。這一產量到2020年可能提高3倍。反物質的經濟效益非常差。在2004年,CERN花費2000萬美元製造出了一萬億分之幾克的反物質。按照這一比率,生產1克反物質要花費100美元的1000萬億倍,並且反物質工廠還得不間斷地運轉上1000億年!這使得反物質成為世界上最貴重的物質。 “如果我們能夠將我們已經在CERN中製造出的所有反物質收起來,並且讓它們與物質對消,”一篇出自CERN的報告如此說道,“我們將擁有足夠的能量將一個電燈泡點亮幾分鐘。”

處理反物質則提出了不尋常的問題,因為任何物質與反物質之間的接觸都會引起爆炸。將反物質放入一個尋常的容器中是自殺行為。當反物質接觸到容器壁,它會爆炸。如果反物質如此不穩定,那麼應該如何處理它呢?一種方法是先將反物質電離成氣態或者離子,隨後將它安全地封閉在一個“磁瓶子”(magnetic bottle)中。磁場會防止反物質碰觸容器壁。 要製造一台反物質發動機,需要將一束穩定的反物質流注入一間反應室中,在那裡它將被小心地與普通物質相結合,製造出一次控制之下的爆炸,類似於化學火箭製造的爆炸。這一爆炸製造出的離子隨即會被從反物質火箭的一端發射出來,創造出推助力。由於反物質發動機將物質轉化為能量的效率很高,理論上它是未來恆星飛船最令人感興趣的發動機設計之一。在《星艦迷航》系列中,反物質是“企業號”的能量來源,它的發動機是由控制之下的物質與反物質相撞提供能量的。

賓夕法尼亞州立大學的物理學家杰拉德·史密斯(Gerald Smith)是反物質火箭最主要的倡導者之一。他相信短期內,只需小小4毫克的正電子就足以將一架反物質火箭在幾星期內送上火星。他注意到,反物質內包含的能量比普通火箭燃料中包含的能量大10億倍。 製造這種燃料的第一步是通過粒子加速器製造成束的反質子,隨後將它們儲存在一個史密斯構建的“潘寧阱”(Penning trap)中。在建造過程中,潘寧阱重量為220磅(大部分是液氮和液氦的重量),將在一個磁場中儲存約1萬億反質子(在非常低的溫度下,反質子的波長比容器壁中原子的波長長數倍,因此反質子大部分會從容器壁上反射回來,而不是自我對消)。他說,這樣的潘寧阱應該能夠將反質子保存約5年(直到它們最終與普通原子混合,被對消)。他的潘寧阱應該能夠儲存約十億分之一克反質子。他的目標是製造出能夠儲存多達1微克(百萬分之一克)反質子的潘寧阱。

儘管反物質是地球上最珍貴的物質,但它的成本每年都在持續大幅下降(目前1毫克約花費62.5萬億美元)。一台正在芝加哥市外的費米國家實驗室製造中的粒子注入器應當能夠將反物質的產量提高10倍,從每年1.5微毫克增加到15微毫克,這將把反物質的價格拉低。然而,NASA的哈羅德·傑瑞希(Harold Gerrish)相信,隨著進一步的改良,價格可以較為實際地下降到每微克5000美元。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的新奈吉技術公司(Synergistics Technologies)的史蒂文·豪(Steven Howe)博士說:“我們的目標是將屬於科幻小說中激進範疇的反物質轉移到交通和醫學中應用的商業範疇。”

迄今為止,能夠生產反質子的粒子加速器並非特別設計用於這一用途,因此它們效率不高。這樣的粒子加速器主要目的是作為研究工具,而不是反物質工廠。這就是為什麼史密斯想像著建造一台特別用於生產大量反質子、能夠降低成本的新型粒子加速器。 如果反物質的價格可以通過技術改造和大量生產進一步降低,史密斯期盼有一天反物質火箭能夠成為行星間和(或許是)恆星間旅行的常用交通工具。然而,在那天來臨之前,反物質火箭將停留在紙上階段。 反物質在地球上如此難以製造,在宇宙中找到反物質是否會比較容易?遺憾的是,在宇宙中對反物質的搜索所獲甚微,使物理學家們相當驚訝。我們的宇宙是由物質、而非反物質組成,這一事實難以解釋。我們可以天真地假設,宇宙初始時有相同、對稱數量的物質和反物質。因此反物質的缺失令人不解。

最有可能的解釋是由安德烈·薩哈羅夫(Andrei Sakharov)首先提出的,他在20世紀50年代為蘇聯設計了氫彈。薩哈羅夫的理論說,宇宙初始,物質和反物質的數量在大爆炸中有輕微的不對稱。這一輕微的對稱破壞被稱為“CP不守恆”(CP violation),這一現象目前是許多活躍的研究課題的中心。實際上,薩哈羅夫的理論指出,所有今天宇宙中的原子都是從一次物質和反物質間的近乎完全的對消中遺留下來的,大爆炸導致了兩者之間的一次宇宙對消。少量的殘餘物質創造了組成如今可見宇宙的殘留物。我們身體的全部原子都是這次物質與反物質之間巨大對撞的殘存。 這一理論留下了有少量反物質自然存在的可能性。如果的確如此,那麼發現其來源將大幅減少在反物質發動機內使用反物質的成本。理論上,天然反物質的沉積物很容易被發現。當一個電子和一個正電子相遇,它們對消,成為γ射線,能量為1.02百萬電子伏或以上。這樣,通過在宇宙中掃描具有這樣能量的γ射線,我們可以發現天然反物質的“指紋。”

事實上,反物質的“源泉”已經由西北大學(Northwestern University)的威廉·波塞爾(William Purcel)博士在銀河系中發現,位置離銀河中心不遠。顯然,一股反物質的溪流存在著,它在與普通的氫氣撞擊時創造了這一典型性的1.02百萬電子伏γ射線。如果這一縷反物質存在於自然界中,那麼其他沒有在大爆炸中被摧毀的反物質群也可能存在於宇宙中。 為了更系統化地尋找自然存在的反物質,PAMELA(反物質探索及輕核子天體物理負載,Payload for Antimatter-Matter Exploration and LigHT-Nuclei Astrophysics)人造衛星于2006年被送入軌道,這是一項俄羅斯、意大利、德國和瑞典之間的協作項目,目的是搜索反物質。早先搜索反物質的任務是使用高空氣球和航天飛機執行的,因此數據是在不超過一周的時間內收集來的。而相反,PAMELA將在軌道中停留至少3年。 “它是有史以來建造的最佳探測器,我們將長時間使用它。”羅馬大學(University of Rome)的皮埃爾喬治·皮科薩(Piergiorgio Picozza)宜布。

PAMELA的目的是探測來自普通來源的宇宙射線,比如超新星;同時也探測來自特殊來源的宇宙射線,比如完全由反物質組成的恆星。 PAMELA將特別尋找反氦元素的蛛絲馬跡,它可能在反恆星的內部產生。儘管如今的大多數物理學家相信宇宙大爆炸造成了物質和反物質間近乎完全的對消,但根據薩哈羅夫的看法,PAMELA是基於一種與此不同的假設——整個反物質宇宙範圍沒有經歷那次對消,而且因此在今天以反恆星的形式存在。 如果反物質少量存在於外太空中,那麼就可能“收穫”一些反物質用以推進宇宙飛船,NASA的先進概念研究所非常慎重地採用了在太空中收穫反物質的構想,近期NASA為一項飛行員計劃提供了資助研究這一概念。 “基本上,你想做的是織出一張網來,就像在釣魚時那樣。”巴爾技術(Hbar Technologies)公司的杰拉德·傑克遜(Gerald Jackson)如是說,該公司是這一計劃的帶頭組織。 反物質收割機以三個同心球體為基礎,每個都由一張網格金屬絲網製成。最外面的球體直徑有16千米,並且帶正電荷,因此它將排斥任何質子,後者是帶正電荷的,它將吸引反質子,反質子是帶負電荷的。反質子將由外側球體收集,隨後在它們通過第二個球體的時候速度將被放慢,並且最終在它們到達最內側的球體時停下,這一球體直徑為100米。反質子隨即會被捕捉到一個磁瓶子中,並且與正電子混合,以製造反氫元素。 傑克遜估計,在一艘宇宙飛船中,控制下的物質-反物質反應能夠只使用30毫克反物質就為一艘太陽帆飛往冥王星提供燃料。 “17克反物質”,傑克遜說,“足夠為一艘恆星飛船提供動力飛往半人馬座(Alpha Centauri)。”傑克遜聲稱,在金星和火星的軌道之間可能有80克可以被太空探測器收集到的反物質。然而,由於將這一巨型反物質收集器投入使用的複雜性和巨大開支,它在本世紀末之前或更晚的時候可能無法實現。 —些科學家夢想從一顆漂浮在太空中的流星上收穫反物質(《飛俠哥頓》連環漫畫有一次渲染了一顆離群的流星漂浮在太空中,它與任何行星發生接觸都會製造一次恐怖的爆炸)。如果天然反物質在太空中未被發現,我們將不得不等待數十年甚至幾個世紀,直到我們能夠在地球上生產出巨量反物質。但假設生產反物質的技術問題能夠解決,那麼有朝一日反物質火箭帶我們去恆星就成了可能。 由於我們如今對反物質的知識,以及這一科技可以預見的演變,我把反物質火箭飛船劃分為“一等不可思議”。 什麼是反物質?自然界沒有充分的理由就在宇宙中將亞原子顆粒的數量加倍似乎很奇怪。大自然通常很節儉,但是現在我們了解了反物質,大自然似乎極度冗贅和浪費。如果反物質存在,反宇宙也能存在嗎? 為了問答這些問題,我們必須考査反物質本身的來源。反物質的發現要追溯到1928年保羅·狄拉克(Paul Dirac)的開創性研究成果。他是20世紀最才華橫溢的物理學家之一。他在劍橋大學擔任盧卡斯數學教授席位(Lucasian Chair),那是牛頓曾經擔任的席位,目前由史蒂芬·霍金擔任。狄拉克出生於1902年,當1925年量子革命爆發的時候,他是一位高高瘦瘦的20來歲的青年。儘管他當時在學習電氣工程,可卻突然被量子理論帶來的興趣浪潮橫掃了。 量子理論是建立在這一概念上的:像電子這樣的粒子可以不被作為點狀粒子進行描述,而是作為某種類型的波用薛定諤的著名方程描述(波代表了能夠在那一點找到該粒子的可能性)。 但狄拉克意識到薛定諤的方程有一個不足之處。它只描述了低速移動的電子。對於高速移動的電子,該方程就失靈了,因為它並不遵守高速移動的物體的定律,即由阿爾伯特·愛因斯坦發現的相對論。 年輕的狄拉克面臨的挑戰是修正薛定諤的方程,使它適應相對論。在1928年,狄拉克提出了對薛定諤方程的徹底修改,完全遵守了愛因斯坦的相對論。物理學界被震驚了。狄拉克純粹通過控制更高級的數學對象——旋量(spinor),發現了他著名的電子相對方程。一次數學上的好奇心突然成了整個宇宙的中心。 (不同於他之前許多堅持物理上的重大突破應該紮實地建立在實驗數據基礎上的物理學家們,狄拉克採取了相反的策略。對他而言,美感充足的純數學就是通向重大突破的確實指南。他寫道:“在一個人的方程中具備美感比使之符合實驗結果更重要,而且如果一個人真正具有健全的洞察力,那麼他就身處肯定通往進步的道路上了。”) 在發展關於電子的新方程過程中,狄拉克意識到愛因斯坦著名的方程式E=mc2並不很準確。儘管遍布麥迪遜大道、孩子們的T卹、卡通片,甚至超級英雄們的服裝之上,但愛因斯坦的這個方程式只有部分是正確的,正確的方程式其實是E=±me2(之所以出現這個減號,是因為我們必須考慮一特定數量的平方根。考慮一個數量的平方根總是會引入一個正或負的模糊度。) 但是物理學家們憎惡負能量。有一條物理公理陳述,物體永遠都趨向於最低能量狀態(這就是水永遠設法保持最低水平——海平面的原因)。由於物質永遠都會下降到其最低的能量水平,負能量的前景可能會是災難性的。它意味著所有的電子最終都會急劇向下躍遷至無窮的負能量級,由此,狄拉克的理論會變得不穩定。因此,狄拉克發明了“狄拉克海”(Dirac sea)這—概念。他設想所有的負能量狀況都已經被填滿了,如此一來,電子就不能向下躍遷至負能量級,這樣宇宙就穩定了。同樣,一道γ射線可能偶然與一個處於負能量狀態的電子相撞,並且將它提高到一種正能量的狀態。我們隨後會看到γ射線變成了一個電子,並且在狄拉克海中製造了一個“洞”。這個洞在真空中的表現會像一個氣泡,即:它將具有正電荷以及與最初的電子相同的質量。換言之,這個洞會表現得像一個正電子一樣。因此,在這幅圖景中,反物質由狄拉克海中的“氣泡”組成。 狄拉克作出這一令人震驚的預言後僅僅數年,卡爾·安德森(Carl Anderson)真正發現了正電子(狄拉克因此在1933年獲得諾貝爾獎)。 換言之,反物質存在是由於狄拉克的方程有兩種解,一種是物質的,一種是反物質的(而且,反過來這是狹義相對論的結果)。 狄拉克方程不僅僅預測了反物質的存在,還預言了電子的“自旋”(spin)。亞原子粒子能夠自旋,很像一個陀螺。反過來,電子的自旋對於了解晶體管和半導體中的電子流至關重要,這莫定了現代電子學的基礎。 史蒂芬·霍金為狄拉克沒有取得他自己方程的專利感到遺憾。他寫道:“如果狄拉克為狄拉克方程取得專利的話,他會發一筆大財。他將從每台電視機、每台隨身聽、每套電子遊戲和每台計算機上收取專利費。” 今天,狄拉克的著名方程被鐫刻在西威斯敏威特的石板上,離艾薩克·牛頓的墓不遠。在全世界,它或許是被授予如此獨特榮譽的唯一方程。 科學史學家們試圖弄明白狄拉克是如何得出他革命性的方程的,而且反物質概念常常使他被比作牛頓。奇怪的是,牛頓與狄拉克有很多共同點。當他們在劍橋完成自己影響重大的成果時都是20多歲,兩人都是數學大師,兩人都具備另一個顯而易見的特徵:完全缺乏社交能力,達到了病態的地步。兩人都因為無法加入小型對話和不具備基本的社交風度而名譽受損,狄拉克的害羞到了令人難堪的地步,他從來不會說任何話,除非被直接提問,隨後他會回答“是”或“不是”,或者“我不知道”。 狄拉克還極度謙遜並憎惡為公眾所知。當他獲得諾貝爾物理學獎時,由於獎勵會帶來知名度和麻煩,他認真地考慮要拒絕它。但是,當有人向他指出拒絕諾貝爾獎將引來更多公眾的矚目,他決定接受。 已經有大量圖書記錄了關於牛頓的古怪個性,其中有大量假說——從汞中毒到精神病。但是最近劍橋心理學家西蒙·巴倫-柯洪(Simon Baron-Cohen)提出了一項最新理論,或許能夠解釋牛頓與狄拉克的奇怪性格。巴倫-柯洪宣布,兩人可能都患有艾斯伯格症候群(Asperger's syndrome),這種病與自閉症近似,就像影片《雨人》中的低能天才一樣。艾斯伯格症候群患者極端不容易暴露思想,社交上別彆扭扭,並且有時生來具有極強的計算能力。但是與自閉症患者不同,他們在社會中能應付得過來,並且可以擔任富有成效的工作。如果這一推想是正確的,那麼牛頓與狄拉克奇蹟般的數學能力或許是以社交上孤立於其他人為代價而獲得的。 使用狄拉克的理論,我們現在能夠回答許多問題:重力的反物質對應物是什麼?反宇宙存在嗎? 正如我們討論過的那樣,反粒子具有與普通物質相反的電荷,但是完全沒有電荷的粒子(比如光子,光的粒子;或者引力子,萬有引力的粒子)可以是它們自己的反粒子。我們可以看到萬有引力是它自己的反物質,換言之,重力和反重力是同一件事物。因此,反物質在重力下會躺倒,而不是站立(物理學家普遍相信這點,但事實上它從未在實驗室中被證明過)。 狄拉克的理論同樣回答了深層次的問題:為什麼自然界允許反物質存在?這能意味著反宇宙存在嗎? 在一些科幻小說中,主人公在外太空中發現了一顆與地球相似的行星,事實上,除了一切都由反物質組成外,那顆新的星球與地球在各方面都一模一樣。我們在這顆行星上有反物質孿生兄弟,有反兒童,居住在反城市中。由於除了電荷相反之外,反化學的定律與化學定律相同,生活在這樣一個世界中的人永遠都不會知道他們是由反物質組成的(物理學家們把這稱作電荷反向宇宙,或,因為在這一反宇宙中所有的電荷都是反的,但是餘下的一切都保持相同)。 在另—些科幻故事中,科學家們在外太空中發現了地球的孿生兄弟,不同之處在於那是一個鏡中的宇宙。在那裡,所有一切都是左右顛倒的。每個人的心臟都在右側,並且大多數人是左撇子。他們終其一生都不知道自己生活在—個左右顛倒的鏡像宇宙裡(物理學家將這樣一個鏡像宇宙稱為宇稱反向宇宙,或)。 這樣的反物質與對等反向宇宙真的可能存在嗎?物理學家非常嚴肅地看待關於孿生宇宙的問題。因為當我們簡單地翻轉我們所有亞原子粒子的電荷,或者反轉左右方位之後,牛頓和愛因斯坦的方程仍舊保持不變。因此,C反向和P反向宇宙原則上是可能的。 諾貝爾獎得主理査德·費曼就這些宇宙提出了一個有趣的問題:“假設有一天我們與一顆遙遠行星上的外星人用無線電取得了聯繫,但無法看到他們,我們能通過無線電向他們解釋'左'和'右'之間的差別嗎?”他問道。如果物理定律允許P反向宇宙存在,那麼要傳達這些概念應該不可能。 他推斷,確定的事物很容易交流,比如我們身體的形狀和我們有多少手指、手臂和腿。我們甚至可以向外星人講解化學和生物學定律。但如果我們試圖向他們解釋“左”和“右”(或者“順時針方向”和“逆時針方向”)的概念,我們次次都會失敗。我們將永遠無法向他們解釋我們的心臟是在我們身體的左側,就是地球自轉的方向,或者DNA分子盤旋的方向。 因此,當年同在哥倫比亞大學的楊振寧與李政道證明這一寶貴的命題有誤時引起了轟動。通過仔細觀察亞原子粒子的性質,他們證明鏡像宇宙、P反向宇宙是不可能存在的。一位物理學家在得知這一革命性的結果後說:“上帝一定犯了個錯誤。”由於這一名叫“宇稱顛覆”(overthrow of parity)的研究結論意義重大,楊振寧和李政道在1957年獲得了諾貝爾物理學獎。 對於費曼而言,這一結論意味著如果你通過無線電與外星人談話,你不可能建立一個能夠使你僅僅在無線電中就說出左撇子和右撇子宇宙之間區別的試驗(例如,放射性鈷-60放射出的電子以順時針方向和以逆時針方向自轉的數目並不相等,而是事實上以一種優先的方向自轉,由此打破了宇稱)。 費曼甚至想像一次歷史性的會面最終發生在外星人與人類間。我們在首次會面時要求外星人伸出他們的右手,我們將會握手。如果外星人確實伸出了他們的右手,那麼我們就知道我們成功使他們知曉了“左與右”和“順時針方向與逆時針方向”的概念。 但是,費曼隨即提出了一個令人不安的想法。如果外星人伸出的是他們的左手會怎麼樣?這意味著我們犯了一個致命的錯誤,我們沒能讓他們明白“左”和“右”的概念。更糟糕的情況是,這意味著外星人事實上是由反物質組成的,他們將所有的試驗倒過來履行,因此混淆了“左”和“右”。這表示當我們和他們握手時我們就會爆炸! 那是我們在20世紀60年代之前的理解。要說出我們的宇宙和一切都由反宇宙組成並且宇稱翻轉的宇宙之間的區別是不可能的。如果你將宇稱和電荷都反轉,產生的宇宙將遵循物理定律。宇稱本身被顛覆了,但是電荷和宇稱仍舊在該宇宙中保持良好的對稱性。因此一個仍然是可能的。 這表示,我們通過電話與外星人交談,我們無法說明一個普通的宇宙和一個既宇稱反向又電荷反向的宇宙(也就是,左和右互換,並且所有物質都變成了反物質)之間的不同。 然後,在1964年,物理學家們受到了第二次震撼:CP反向宇宙無法存在。通過分析亞原子粒子的性質,在與另一個CP反向宇宙通過無線電談話時告知左與右、順時針與逆時針之間的區別還是有可能的。由於這一研究成果,詹姆士·克羅寧(James Cronin)和瓦爾·費奇(Val Fitch)在1980年獲得了諾貝爾獎。 (雖然當CP反向宇宙被證明不符合物理學定律時,許多物理學家都感到難過,但從事後來看這一發現是件好事,正如我們早先討論的那樣。如果CP反向宇宙可能存在,那麼最初的大爆炸應該涉及數目恰好相同的物質和反物質,並因此應當發生100%的對消,那麼我們的原子是不可能存在的!我們是作為數量不均的物質與反物質之間對消的殘留物而存在的,這一事實是CP不守恆的證據。) 有任何反向的反宇宙是可能存在的嗎?答案是:有。即使宇稱反向和電荷反向宇宙是不可能的,反宇宙仍舊是可能的,但那會是一個奇怪的宇宙。如果我們反轉電荷、宇稱和時間的推移順序,那麼所獲得的宇宙將符合所有的物理定律。是允許存在的。 時間反演是一種古怪的對稱。在一個中,煎蛋會從晚餐盤子裡跳下,在煎鍋裡重新成形,隨後跳回雞蛋中,封上裂縫;屍體從死亡狀態中站起,變得年輕,變成嬰兒,隨後跳回他們母親的子宮。 常識告訴我們,T反向宇宙是不可能的。但亞原子粒子的數學方程告訴我們並非如此。牛頓的定律向前或向後推移都能完美地起作用。想像一下拍攝一場台球比賽,每一次球的相撞都遵循牛頓的運動定律。播放這樣一盤錄像帶會造成一場古怪的比賽,但這是牛頓的定律所允許的。 在量子理論中,事情要更加複雜。 T反向本身違反了量子力學的定律,但是完整的CPT反向宇宙是允許的。這意味一個左和右是反轉的、物質變成了反物質而且時間倒退的宇宙是遵循物理定律的,完全可以。 (具有諷刺意味的是,我們無法與這樣一個CPT反向世界進行交流。如果他們的行星上時間是倒流的,那便意味著我們通過無線電告訴他們的一切都是他們未來的一部分,因此他們將在我們與他們說話後馬上忘記一切。所以,儘管CPT反向宇宙在物理定律下是允許的,但我們無法通過無線電與任何CPT反向宇宙中的外星人談話。) 總的來說,如果地球上能製造出足夠的反物質,或者在外太空中能發現足夠的反物質,反物質發動機也許給了我們為遠距離恆星飛船提供燃料的確切可能性。由於CP不守恆,物質與反物質之間有微小的失衡,這也許反過來意味著有大量的反物質仍舊存在,並且能被收穫。 但是,由於反物質發動機涉及的技術困難,發展這一技術或許要花上一個世紀,甚至更久,這使得它成為“一等不可思議”。 然而,讓我們面對另一個問題:超光速恆星飛船在未來的數千年後會成為可能嗎?愛因斯坦的名言“沒有什麼能比光更快”是否存在漏洞?令人吃驚的是,答案是肯定的。
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