千米小说网

第三章 朝夕与永恒 6 粒子的一生（第2页）

现在，为了更好地理解发生的一切，我们暂且假设质子能说话，戴着一块表，能和LHC的中央控制室沟通，就像动画片里一样。我们来想象一下这个奇怪的对话：“质子，质子，这里是主控，该出来了。”“啊，已经到时间了吗？怎么可能？我们玩得正开心呢！你确定吗？我们刚进来没多久啊。”“没错，时间到了，你们都玩了超过24小时了，也让别人开心开心啊。”“肯定搞错了，我看着表呢，我们才进来13秒。你检查一下你的表，肯定坏了。”“检查过了，好着呢。这就是相对论，亲爱的。”

在LHC中的质子看来，时间以正常的速度流逝，质量也没有变化。然而，从外部参照系出发，就会看到质子以接近光速的速度运动，质量变成原来的6500倍，而且最重要的是，它们的表每走一秒，主控室里就会过去近两个小时。

宇宙超级加速器

巨大恒星或黑洞的湍流现象也会产生大量近光速粒子。这些天体向太空喷射近光速物质，物质的质量因相对论效应大增，其上的时间也大幅变慢。如果这是一项极限运动，这些天体能拿冠军。

我们的地球始终沐浴在来自四面八方的粒子雨当中，在对其源头的追寻上，我们也有所进展。这些粒子雨被称为“宇宙射线”，诞生于太空深处，主要是由接近光速的质子和氦原子核组成，偶尔也有更重元素（可重至铅元素）的原子核组成，最罕见的是高能电子、中微子和光子。当高能带电粒子穿过大气层时，会与外层气体分子激烈碰撞，产生成群的次生粒子，就像LHC里的碰撞产生的粒子一样，这些粒子最终像雨滴一样洒向大地。

宇宙射线中有我们所能观察到的最高能的粒子。与其中能级最高的粒子相比，LHC中因相对论效应变成巨人的质子也是小巫见大巫。最强宇宙射线的能量级可达地球最强加速器的一亿倍。

是什么机制能向宇宙发射如此高能的质子？又是什么活动成了让地球最尖端科技也汗颜的宇宙超级加速器？

绝大部分宇宙射线来自我们自己的银河系，一般认为它们产生于大恒星耗尽核燃料之后的超新星爆发。在这场大灾变中，极强的磁场和恒星外层物质一起被高速喷出，以“磁激波”（4）机制加速带电粒子。电磁力可以困住带电粒子，并迫使其做周期运动而逐渐获得速度。在我们的太阳中也能观察到磁暴导致加速的现象，等离子体释放出强大磁场碎片而加速带电粒子，但这样产生的宇宙射线到达地球时只有中等能量。如果磁激波是由超新星产生的就不一样了，粒子可以达到很高的能量级，甚至是LHC能级的几千倍。

不过，磁激波加速机制也解释不了最强的宇宙射线，其能量级是LHC的几百万倍。它们很可能来自银河系之外。有人认为它们产生于活跃星系核，也就是处于狂躁期的超大质量黑洞，当吸积盘回吐而巨大的相对论性喷射形成时，从两极喷射大量近光速物质。如果喷射的轴线指向我们，那么产生的最高能粒子就可能到达地球。我们尚未搞清楚达到如此高能级的机制，但可以肯定的是，一旦搞清楚这一机制，人类就掌握了宇宙最强大粒子加速器的秘密。

最高能宇宙射线对质子有巨大的相对论效应：其质量会增长千亿倍，跨越几百光年的距离所用的时间也被缩短——这些质子经历1秒相当于我们过了3170年。

这些信使非常特别，它们的存在代表着相对论的胜利，但它们给我们带来的却是令人不安的消息。它们来到我们这宁静的宇宙一隅，似乎就为了警告我们：“注意，地球人，不要以为宇宙都像你们周围这样平静而有规律，它也可以是一个非常危险而充满敌意的地方。”

它们是执着奔波的信使，就像古希腊的游吟者。它们不说话，仅凭自己的存在就让我们与神奇又可怕的宇宙深空取得了联系，无声讲述恒星的死亡以及黑洞吸积盘吞噬整个世界时发生的灾难。它们为此走过星系之间的巨大距离，但因为以近光速移动，所以这在它们看来不过是一刹那，而对于地球上的我们来说，已经过了千百年，只是与光竞逐、跨过浩瀚宇宙的它们，根本不会知晓这些。

红白砖小房子

代尔夫特是一座距离海牙和鹿特丹各几公里的荷兰小城。如果不是有着鲜明的特色和光辉的历史，它真的很容易被错当成那两个大城市的郊区。今天，那里只有10万居民，但在17世纪，在弗兰德斯的黄金时代，它是一个重要的政治和经济中心。在这个护城河和围墙围起的小城中，有许多高级手工艺者安家落户：制作昂贵地毯的织布工、制作瓷器的陶艺家——他们从意大利引进了最精细的技艺。代尔夫特为欧洲各宫廷生产的蓝白瓷盘、瓷砖、瓷器，是荷兰东印度公司从明代中国进口的青花瓷的主要竞品。代尔夫特还是“橙色家族”奥兰治-拿骚家族的基地，“奥兰治的威廉”在此立足后，这座小城就逐渐获得了“王公之城”的美名。

即使在今天，漫步在代尔夫特城中，依然可在不经意间遇见诉说着往日荣光的古迹：集市广场、俯瞰广场的市政厅、城中最古老的教堂、像比萨斜塔一样倾斜的教堂钟楼。老教堂的地面上，一块不起眼的灰色石砖表明史上最伟大的画家之一扬·维米尔安葬在此。

让我们漫步老城的大街小巷，一起追随维米尔的足迹：1632年他出生的房子（现在是一家餐厅）、他和妻子住了一辈子的红白砖房，以及圣路加公会（画家协会）旧址。要想成为画家就要加入这个行会，维米尔在21岁时入了会。

维米尔一生都在代尔夫特的城墙内度过，与债主的斗争不断。1652年维米尔的父亲去世，给他留下了一大笔债务，这可谓一场真正的噩梦。他真心爱上他后来的妻子卡特琳娜·博尔内斯，一位慈眉善目的天主教徒，两人于1653年成婚，他的许多室内肖像画都以她为模特。婚后，两人生了15个孩子，这些孩子都要穿衣吃饭。维米尔的小型人像画在代尔夫特的富商中确实有几个拥趸，但所得十分微薄，根本不够用。他从没接到过富有商会的大单，出了代尔夫特城，他也没什么真正的名气，与弗兰斯·哈尔斯、伦勃朗等当时最著名的画家根本没法儿比。

维米尔的一生很短暂，他于1675年去世，时年才43岁，死时他依然债务缠身，身后留下40多幅小画，但在当时没人觉得那些画有什么特别。他的室内画中，有代尔夫特的特色蓝白瓷砖、那座红白砖小房子中的日常生活场景、戴珍珠耳环少女的倩影。今天，这些都成了无价之宝，世界上最有钱的富翁、最大的博物馆都愿意花天价买入一幅维米尔的杰作。未来改变了过去，将同时代的人看不上的一个外省平凡画家，变成了历史上最伟大的艺术家之一。

这一切始于1866年，当时，法国评论家泰奥菲勒·托雷·比尔热提出，这位不知名的代尔夫特画家可与荷兰黄金世纪的大师们比肩。从那时起，就像一条泛滥的河流，维米尔的画作先是征服了艺术家和知识分子，后来又普及大众。他的风格成了一种标志，关于他的书汗牛充栋，关于他的电影也有很多，维米尔“洗脑”般地进入集体想象。许多艺术家或哲学家在几百年甚至几千年后才被认为伟大，维米尔只是其中之一。我们以不同的眼光看待过去，重写过去，于是意义被改变，历史被重塑。正如豪尔赫·路易斯·博尔赫斯所说：“每个作家都在创造自己的先驱，其作品改变了未来，同时也改变我们对过去的认知。”那么，这种发生在思想中的现象是否也会发生在物质世界当中？我们现在的动作能改变过去吗？这完全不是异想天开，因为在由狭义相对论和量子力学统治的微观尺度上，物质有奇特的行为，时间的流逝也有奇怪的特征。

我们已用简单量子系统做了许多实验。当我们操作光子、单个原子或任何量子系统时，系统状态在未被观测时都是不确定的，这是其与生俱来的性质。光子可以表现得像波也可以表现得像粒子，原子可以自旋向上也可以自旋向下，量子系统可以导电也可以不导电，也就是说，它的状态可以是1也可以是0。在观测之前，我们不知道系统究竟处于哪一种状态，可以假设系统跨越了所有状态，即经历了所有状态的叠加态，只有在被观测的一瞬间，系统才坍缩成某一特定状态。

注意：这种不确定性不是理论缺陷，也不是由于我们对初始条件了解不足。粒子或系统的状态在被观测之前本身就是不确定的，直到观测迫使其进入一个特定的状态。

最近开发出了“弱测量”的方法，也就是不会让系统状态彻底坍缩的测量。这些微弱扰动不会显著改变系统。弱测量得到的信息一般用处不大，结果纯粹是随机的，甚至是显而易见的：这个我们不知道处于状态1还是状态0的系统，它处于状态1和状态0的概率都是50%。总之，在经历一系列弱测量之后，我们知道的和之前一样多。

密苏里州圣路易斯华盛顿大学的教授凯特·默奇带领一些天才的研究员用弱测量进行了一项实验，取得了惊人的结果。他们使用了一个简单的超导电路，当电路被冷却到接近绝对零度时，其表现就像一个原子，会有两个能量级，分别对应1和0，二者之间可有无数种组合，即量子态的叠加。

为了继续进行的弱测量，该设备与数量有限的低能光子相互作用，这些光子无法改变能级，也就不会使系统坍缩成某一状态。系统没有被干扰，但光子带来的状态信息也很少。经过分析信息得出的唯一结论就是，系统处于两状态之一的概率各为50%。然后，他们进行“强测量”：让系统与能量足以改变系统状态的光子相互作用，系统叠加态消失，变成了某一确定状态，但实验结果将被隐藏。之后，他们又进行了弱测量，并综合强测量之前之后的两次弱测量进行分析，其结果令人惊异：现在通过弱测量可知，系统处于其中一种特定状态的概率是90%。强测量的结果也被揭晓，发现弱测量的预测是正确的。注意：只有当我们将强测量之前的弱测量，即那些本身没有产生结果的测量也纳入考虑时，才会发生作用。这就好像我们今天所得到的东西，即在强测量之后所做的弱测量，改变了我们昨天所得到的东西，即我们在强测量之前所做的弱测量。这结果无疑令人惊奇，似乎表明量子系统的未来可以实质性地改变过去，或至少某种信息形式可以回到过去，根据强测量的结果改变之前的弱测量。

经媒体报道后，这项实验很快成了大众眼中的时间可以倒流，时间旅行可以实现的证据。像往常一样，幻想远比我们对潜伏在无穷小世界里的各种奇妙现象的理解来得容易。

对此我建议最好采取谨慎的态度，就像对待其他情况一样。量子力学有无数我们还未理解的微妙之处，完全可以有另一个没那么天马行空的简单解释。事实上，必须做完强测量之后再做弱测量，这就应该敲响我们心中的警钟。过去的事件可以被未来的事件影响吗？似乎可以，但前提是结果已知。尽情发挥想象之前要明白，虽然量子力学很管用，我们每天都在用，但我们还没有完全知其所以然。就目前而言，微观系统中未来可改变过去还只是一个想法，最终，它可能会是一个可怕的骗局，也可能会引领我们走向对自然的新理解。

（1）。?基本粒子之一，属于费米子中的第三代夸克，也是已知最重的粒子，质量达到173GeV，与锇原子相当，电荷为+23，寿命极短，在10-24秒内衰变成其他粒子。1994年4月26日发现于美国费米实验室。

（2）。?现在一般称底夸克。——译注

（3）。?这是能量单位，换算成质量须除以c2。——译注

（4）。?按照作者意思是磁场突变引起的激波。——译注