科學家驗證「平行時空」：科幻情節走入現實世界？

　　星羅萬象

　　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。

　　近日，據《新科學家》雜誌報道，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，這究竟是怎麼一回事？

　　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「-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。

　　至於平行宇宙，科幻迷已經很熟悉了。在量子的概率波解釋里，關在箱子里那隻可憐的「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。在被觀測之後，它被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，在平行時空里，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。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。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。

　　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，過一定時間後再數一數剩餘的數量；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。

　　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。

　　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，科學家的想法是在牆後設置探測裝置，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：「儘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，那麼我們必須嘗試。」

　　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魅力的地方。未來的答案究竟在什麼方向？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，最終答案在哪裡，我們依然不知道。也可能多年後，人們回頭髮現，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）

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