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9 能否逆转的箭头（第1页）

9能否逆转时间的箭头？

“如果能回到过去……”谁不曾因后悔过去的某一个选择而说出这句话？在那个时候，我们可能是没抓住改变人生的机会，也可能是犯了错而伤害到心爱之人。在更富戏剧性的情况下，类似的话也曾低语在神父的耳畔，或回**在高墙之间。

开弓没有回头箭，让那箭飞回箭筒是从远古时代起就一直陪伴人类的强烈愿望。大文豪们向我们讲述了俄耳甫斯的悔恨，他恨自己因为没能忍住，最后看了妻子欧律狄刻一眼而永远失去了她；或是奥赛罗的绝望，他因为被奸诈的伊阿古蒙骗而杀死了妻子苔丝狄蒙娜。

到了19世纪末，之前只能想象的事突然有了眉目，不可能的事突然看得见、摸得着，逆转时间的古老梦想被重新点燃。由于技术的进步和新的发明，时间的不可逆受到了质疑。自公元前4世纪起就被伊壁鸠鲁等大思想家宣布的“……已成之事不可逆”陷入信任危机。

随着电影的诞生，卢米埃尔兄弟首先让观众在视觉上体会了时间倒流的效果。

这两位发明电影的天才发明家将他们位于里昂的感光玻片厂作为其首部短片《工厂大门》的拍摄场景。历史上首部电影于1895年公映，并引起了公众非凡的兴趣。巴黎人蜂拥而至，只为一睹这新鲜事物。很快，出新就成了问题，而且要越来越神奇，不断引起公众的好奇心。卢米埃尔兄弟很快就发现，将影片倒放能让观众叹为观止。

倒放技术首次出现在路易·卢米埃尔1896年拍摄的《拆墙》中。这一次的场景依然是家族工厂，主角是哥哥奥古斯特，他指挥几个工人手拿镐头和千斤顶拆除一堵老墙。当老墙倒下时，碎了一地，激起一阵尘埃。可不一会儿之后，老墙奇迹般地复原了，又成为一堵完好的墙立在那里，它的周围是忙碌的工人，他们似乎在悉心呵护这一重构的作品。

人们对时间一去不复返的固有印象被打破了。借助电影，观众能亲眼看到不可能的事发生了，有一种眼见为实的感受。他们坐在座位上，目睹了时间之箭被逆转时的怪象。电影让已经发生的事全面再现，而且可以无限回看，时间变得可以向前也可以向后，可以随意加速也可以减慢。这将古老的时间可逆性问题又带回当下，带到了大众的眼前。

一个方程向我们揭示谁也未曾料到的世界

最早的电影，以及之后新兴电影产业拍出的更复杂的电影，带来了一种集体想象，和20世纪最初几十年的科学革命并肩而行。

20世纪20年代末，年轻的英国科学家保罗·阿德里安·莫里斯·狄拉克还不到30岁。从他的名字可以看出他是移民后代，他家从瑞士法语区的瓦莱州移民到英国。他于1926年在剑桥大学圣约翰学院取得博士学位，其博士论文的标题简单明了：量子力学。狄拉克似乎是世界上第一个敢以此新兴理论作为博士论文课题的学生，当时，这个理论尚在大力发展之中。

狭义相对论和量子力学这两项革命性的理论，打开了20世纪的大门，狄拉克很快就一头扎进试图调和二者的工作中。要描述高能次原子粒子的行为就必须将二者结合起来。不久，他惊奇地发现自己为带负电的电子建立的方程，也可以为类似电子、只不过带正电的粒子提供一个解决方案。乍一看这似乎很荒谬，在一段时间内，这似乎只是一种形式上的奇特，其物理意义等到几年之后的1932年才被理解——那时，另一位年轻的科学家卡尔·戴维·安德森发现了正电子。他在宇宙射线中找到了一些和电子几乎一模一样的粒子，只是它们在磁场中的偏转与电子相反，因此必然带正电。

随着正电子被发现，大家明白了狄拉克方程中藏着另一半物质世界。正是由于这位勤奋好学、害羞寡言的年轻人，人们才忽然意识到每一种粒子都对应质量相等、电荷相反的另一种粒子，也就是我们今天所说的反粒子。那个优美的方程让我们发现了一个完全未知的世界，之前，没有人曾料到它的存在。

随着反物质的出现，在基本粒子的微观世界中时间是否可逆的问题再次被提起。方程的对称性导致在时间中前进的物质粒子等价于在时间中后退的反物质粒子。换句话说，让一个电子出现在空间的某一点等价于让一个正电子在这一点消失。由于有了反物质，我们可以用能量从真空中拉出成对的粒子与反粒子，而且这个过程在时间上是可逆的：正反粒子接触后就会湮灭，只剩爆发出的能量。

认为在基本粒子的世界中时间可逆的想法由来已久，大家都觉得这是最简单直接的解。而且在基本粒子碰撞理论中，这在形式上也成立，时间可以常规向前，也可以逆转向后。比如，碰撞产生两个相互作用的粒子，以略偏离的轨迹飞出去。时间逆转后，它们的行为依然符合物理规律。这时，人们会看到两个粒子反方向运动，碰撞在一起后变成原来的状态。二者速率一样，只是方向相反。

这一切看起来完全就是把碰撞倒放一遍。基本粒子的微观世界似乎就像卢米埃尔兄弟广受欢迎的电影一样，正放倒放都可以。

事情其实要复杂得多。当我们在某些衰变过程中进行时间和电荷反转实验时，就会发现与最初的完全对称性假设相矛盾的效果。就连在基本粒子的物理学规则下也无法做到时间反转对称。即使在那个奇怪的世界里，也要分过去和未来，仅靠把时间逆转过来获得完美对称的过程是不够的。

研究无穷小世界中的时间逆转十分复杂，因为要寻找非常微小的偏离，而这些稍纵即逝的现象往往极为罕见。

关于这方面的研究还有一则逸事，我未能考证真假，不过我是从罗马市郊弗拉斯卡蒂的意大利国家核物理研究所实验室听来的。来自维也纳的天才物理学家布鲁诺·陶舍克自20世纪50年代起就在意大利开展研究活动，正是他于1960年提议建设“累积环”（Anellodiace，缩写为ADA），这是世界上第一台在同一磁场轨道上同时有正负电子的加速器。它让粒子及其反粒子在同一轨道上相向回旋，碰撞湮灭时放出的能量全部用以产生新粒子。该机器成功运行，陶舍克的天才主意为现代粒子加速器铺平了道路。

他的研究生涯因他英年早逝而不幸终止。很长一段时间，他都在研究那些似乎能打破时间反转对称的罕见过程。某一天，他在去往实验室的路上发生了车祸，就在弗拉斯卡蒂南边一点儿的图斯科洛山的弯道上。他被送到了最近医院的急诊室，医生按常规向他提问，以确保他能正常作答，从而排除他遭受脑部损伤或其他让人不清醒的外伤的可能。当医生问陶舍克做什么工作、目前在忙什么时，他一本正经地回答：“我是搞物理的，现在正在研究逆转时间。”医生听了之后马上说：“严重脑外伤，紧急住院！”

对称的圣杯

只是提了一下逆转时间就让弗拉斯卡蒂的那位医生担心起来，这也可以理解。在我们日常生活的复杂物质世界中，过去和未来有着明显的区别。从桌子上掉下的玻璃杯碰到地面时，就会碎成许多块，如果有人用手机拍下这一场景并将其倒放，那我们立刻就能看出来他们编辑了视频，并颠倒了顺序，因为我们看到的碎片从地上跳到桌子上，重新组成完好无损的杯子，是我们在真实世界中从未见过的。

基本粒子只有几种相互作用，这么简单的东西组成的世界也许可以更加有序和对称，也许其中的时间也可以摆脱永远只能向前的宿命，也许会有完美对称的反应和衰变。要确定这些情况，唯有验证一下，看看自然界是否存在一种普遍成立的强大对称。

最常见的对称是镜面对称，每天早上我们照着镜子刷牙或梳头时都能看到，熟悉的模样让我们一眼就能认出是自己，所有细节都很像，只有一点不一样：镜子里的右手对应我们的左手，左手对应我们的右手，这一点在我们用梳子梳头或用剃须刀刮胡子时就会发现。这是镜面对称的伎俩，它们是通过反射而左右对称。人们在很久以前就知道镜子的妙用，在照相机被发明出来之前，许多画家就利用镜子画自己的自画像，他们在镜子前摆好姿势，再把镜中的影像转移到画布上。卡拉瓦乔就是这样将少年的自己画成了酒神的模样，现在，这幅著名的自画像藏于罗马的博尔盖塞美术馆，名为“生病的巴库斯”。画中是一个面色苍白、病态的少年，他的头上戴着常春藤冠，手拿一串白葡萄。这幅画可追溯到1593年至1595年，那时卡拉瓦乔刚到罗马，在16世纪末罗马著名画家朱塞佩·切萨里（又称“阿尔皮诺骑士”）的画室做学徒工。一些评论家认为，这是卡拉瓦乔被马踢伤后在家休养时画的。看着这幅画，我们可以想象当时的场景：画家以右手作画，以左手拿葡萄，但因为镜面对称左右对调，于是画中的巴库斯右手拿着葡萄，此模样永远定格在这幅小小的画作之中。

豪尔赫·路易斯·博尔赫斯痴迷于对称，他的幻想故事中经常出现倒影、迷宫和平行世界。其中最精彩的当属《神学家》，收在1949年出版的著名短篇小说集《阿莱夫》中。故事说到两位基督教神学家奥雷利亚诺和胡安·德·帕诺尼亚全身心投入与异端的斗争，为了时间循环的问题论战至死。在这两位主角的背后是许多诺斯底主义的异端教派，博尔赫斯以自己的想象丰富了这些教派。

诺斯底主义者认为，物质让人堕落，一切存在于时间及空间中的东西都是腐坏的，世界是地狱之所，我们只能活在悲惨和痛苦中。借助这个背景，博尔赫斯想象出一个“循环派”（又称“该隐派”或“伊斯特利亚派”），他写道：“有些族群容忍偷盗，有些容忍杀人，有些容忍邪**。他们认为，人间是天上的倒影。伊斯特利亚派歪曲此想法而创立了其教义。……他们认为每个人都有两身，真身在天上。他们还认为我们的行为在天上会倒转，也就是说我们醒着，天上那个就睡了；我们**，天上那个就贞洁；我们偷窃，天上那个就施舍。我们死去，就会和天上那个合二为一。……他们还说不作恶才是魔鬼的傲慢之举。”

于是，在博尔赫斯想象出的异端者的反转世界中，巨大的镜子颠倒的不是左右而是伦理。犯下最可怕的罪是每个虔诚基督徒的责任，在尘世造的孽越多，在天国的荣光就越大。

镜子及其奇特的左右对调也存在于基本粒子的世界中。像镜面反射那样让左变成右的变换叫作宇称变换，通常以大写字母P表示。在粒子的一般情况下，我们可以想象有一面特别的镜子，能将粒子的空间坐标（x，y，z）变为（-x，-y，-z）。

一开始，人们认为所有的力从给定系统到其镜像版本，都不会改变其作用方式，也就是说，人们认为空间变换或宇称变换能保持对称性。想象一下，在实验中观察到的物理过程与从镜子里看同一实验所见的物理过程一致，这似乎是很自然的事。同样，我们也曾认为，将系统中的粒子都换成反粒子后也能保持对称性。这种变换被称为电荷共轭变换，以字母C表示。

实际上，涉及夸克间的强力及带电粒子间的电磁力时，这些对称性确实得到了保留。但是人们很快就发现，在弱相互作用下，情况并非如此。弱相互作用最难捉摸，它有一个十分奇特的行为——对通过宇称变换或电荷共轭变换连接在一起的系统有不同的作用，仿佛迅速察觉到发生了什么事情一样，它会对两个系统区别对待。

我们很早就知道，弱相互作用会打破宇称对称及电荷共轭对称，也有充分的理由怀疑它会打破时间反转对称，但直到最近，我们才以实验证明了弱相互作用不遵守时间变换（以t表示）的对称。也就是说，如果将t换成-t，让时间倒流，弱相互作用会打破对称性而在两个系统中产生不一样的效果。我们观察到了有些现象因时间流动方向不同而有不同的发生概率。打个大胆的比方，我们可以说，就像博尔赫斯想象出的伊斯特利亚派信徒一样，弱力将人间和天国分得很清楚，它在二者中的行为也不同。

这个结果确凿地证明了物理规律的时间不可逆，即使在微观层面上也是如此。如果时间逆转，就算是在量子力学主导的简单系统中，也会产生不一样的物理过程。克洛诺斯要统治一切，它不接受被排除在粒子世界之外。如果通过影片来看这些现象，我们就能分辨出哪个是真实的，哪个是倒放的，就像看卢米埃尔兄弟倒放老墙倒塌时那样。

曾有一段短暂的时间，人们认为，就算宇称对称和电荷共轭对称各自被打破，但二者结合也可以组成一种不会被打破的对称。如果空间坐标反转，同时把粒子换成反粒子，我们就应用了CP，即C、P这两种变换的联合。但很快这也被证明行不通，因为我行我素的弱相互作用依然会打破复合变换CP的对称性。在这里，真正的新发现是，如果在宇称变换和电荷共轭变换之外，时间也被逆转，那么我们就找到了完美的对称。