时事

时间旅行

如果能够回到过去,可能形成连环矛盾。(看图顺序:先看蓝线,后看红线)

其实要时间旅行到未来,是可行的。条件是,物体须快速运动或进入黑洞的边沿。

在马斯普兰克研究所博士班时候,我有一个很有趣的同事,负鼠D。他每天早上来上班,第一件事就是拿着咖啡和粉笔,站在黑板前和我讨论物理哲学,还有批评别人。



在我认识的众多理论物理学家当中,只有负鼠D特别在意物理的诠释与哲学。其他理论物理学家就只注重计算与技术。负鼠D是研究量子力学的,喜欢和我讨论量子力学的诠释和数学。而我是从场论和广义相对论而开始我的研究生涯,所以就喜欢和他探讨相对论的诠释。但几乎每次讨论到最后,我们都会聊到我们最喜欢的话题——时间的诠释。

回到过去

小时候我喜欢看《回到未来》这部电影。主角回到了父母年轻的时候,不小心搞砸了他们相遇的机会。父母如果不相恋,就不会生下他。为了确保他不在时间的矛盾上消失,他必须想尽办法让父母爱上对方。

电影呈现的是经典的祖父悖论:回去杀了你的祖父,你就不存在了;但你不存在了,那就说明你没回去杀你的祖父,所以祖父还活着,形成了连环矛盾。这可能吗?不。

如果时间是一次元单线平行的话,回到过去违反了因果,因此在物理法则上并不成立。



或者,如果多世界量子诠释(Many-World interpretation)成立,你只是去了另一个平行宇宙(parallel universe)杀死了另一个你的祖父,所以矛盾不存在。

除非,如果我们的宇宙时空是莫比乌斯带(Moebius Strip)的形状,可以无止境地回到过去。这很有趣吧?可惜,在这个宇宙里,没有“先有鸡才有蛋,还是先有蛋才有鸡?”的哲学问题,因为他们都是无止境地在重复自己的命运。宇宙微波背景辐射的测量结果已经证明,我们的宇宙是扁形的,而不是莫比乌斯带,因此排除了这有趣的可能性。

《回到未来》首部应该叫回到过去,毕竟主角只回到以前。其实要时间旅行到未来,是可行的。条件是,物体须快速运动或进入黑洞的边沿。前者应用了特殊相对论,后者则广义相对论。

光速不变

每个物体都有自己的原时(proper time),定义为在惯性坐标度过的时间。原时和坐标时(coordinate time)不一样,后者是别人在他的参考坐标下测量你的时间。在一般日常生活的速度下,两者几乎一致,因我们都没有机会达到光速。但在相对论里,原时都比坐标时短。为什么?那是为了符合光速在任何的坐标系拥有一样的常数。

任何物体都不能超越光速,为了符合这自然现象,我们只能缩小空间,或延长时间。这是爱因斯坦的智慧眼光,结合了时间和空间为“时空”。也就是光速不变之理由,让原时比坐标时慢。

一个快速往太阳飞去的火箭,和在地球上的你,测量太阳光的光速一样。特殊相对论告诉你们的时间或空间已经不再一致了。所以若你想活得更长久,你只需要造一支火箭。在里面飞行一会儿后回到地球,就会比你的朋友们活得久。当然,这医不了疾病。

如果你觉得在火箭里呆着很闷,那你可以考虑在旋转黑洞的边沿度度假,也可以达到保持青春的效果。在广义相对论里,黑洞的重引力让坐标时间过得非常慢(原时还是一样)。当你决定结束你的假期时,只要走出黑洞圈外,大家比你活得快,所以都老去。而你还是一样的年轻。

黑洞边度假?

为什么重引力会让坐标时间过得慢?简单来说,我们之前讨论过光速在任何坐标系都是同样的常数。光需要抵抗黑洞的引力才可以达到测量器,黑洞的引力拉长了波长。光需要更长的时间来移动,所以在外的别人用坐标时来衡量你的时间时,你会显得很缓慢。在黑洞边度假,千万要小心,不要被黑洞给吸进去。

要是你不幸被卷入黑洞里,会怎么样?其实不坏。如果你能适应那超重引力的话,你搞不好能回到未来,或过去。黑洞和虫洞在理论上可以用来穿越时空,只可惜我们不可能做试验来证明……每次说到这里,我和负鼠D便又乖乖回到各自的座位上,继续我们的理论物理研究。

 

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时事

一个模型就能解释世间万物

我在高中时就决定大学要选修物理系,专攻粒子物理或弦理论。随后那10年来走过的路,的确不容易。从本科必修的经典力学到硕士班的量子场论,让我体验了自然与数学的美感,也见识了顶尖的物理研究。

很多朋友都问我,为什么不选修工程或是生物还是化学呀?毕竟毕业出来找份工作也比较容易。我的答案都是,这跟知识派生有关。小时候我在班上很喜欢问老师不会答的问题: 



“为什么我们可以看到东西?”

“哦,因为我们有眼睛。”

“那我们的眼睛是怎样看到东西?”

“哦,那因为光进入我们的眼睛里。” 

“那我们的眼睛怎样跟光有相互作用?”



“这跟化学有关。电子和构成我们的原子有相互作用。”

“那为什么电子和粒子会用相互作用?”

“K,你长大后,你自己去找答案吧。”

结果,长大了,我去找答案。然后,我也了解,要继续地像苏格拉底这样问下去的话,只有在物理才有我要的答案。十多年后,我终于找到了答案。

图A:简化版的粒子标准模型公式

粒子标准模型

答案很短,但很深奥,那就是粒子标准模型(Standard Model of Particle Physics)。粒子标准模型的公式(请看简化图A),集合了拉格郎日力学、特殊相对论、量子场论、规范场论、对称性破缺、群论和泛函分析。要更深入了解粒子和场论的话,拓扑学和微分几何也是必修。 

当然,我不会期盼读者一看即懂。我只是想说,如果你想找一个公式,可以解释所有我们观测到的物理现象,那你刚才已经看到了,从那可以派生其他自然科学。

粒子标准模型解释,物质粒子之间的相互作用,是出于它与玻色子(Boson)的群组作用。我们到目前能够观察的物质粒子(除了希格斯粒子以外)都是费米子(Fermion)。玻色子和费米子的分别在于自旋数为整数(0,±1,±2)和半整数(±1/2,±3/2)。

自旋是一种量子属性,在经典物理上不存在,一般人也不会知道。我们可以想象它为一个粒子的属性,像粒子的质量或能量一样。玻色子一般都形容基本力如电力、强力;而费米子则形容物质,例如电子、中微子或夸克等。 

有了粒子标准模型,我们可以精准地形容每个我们所测量的粒子属性与其相互作用。我们可以知道,为什么有些大自然的粒子相互作用是不存在的,或为什么一些粒子的相互作用奇特地微小。 

最简单易懂的日常粒子相互作用,是我小时候问的问题,电子和光的互相作用。在经典模型公式的后半段,我们可以看到ψψA 组件的存在(规范场与费米子相互作用),只要我们翻译ψ为电子,A为光子,就可以开始建造一些大自然的现象,例如电子散射或成对产生(请看简化图B)。 

图B:电子与光子相互作用。时间顺序从左到右。

由光的群论转变来补偿

当然你或许会问,为什么我们可以写下ψψA这样的组件,而不是天马行空的任何组件。在规范场论被允许的组件,都必须符合时空对称和群论对称。简单的说,两个电子的群论转变,必须由光的群论转变来补偿。只有整体群论不变的组件才是在标准模型上被允许的。 

那些标准模型的组件,花了我们40年的研究,才在2012年希格斯粒子被LHC撞击实验ATLAS和CMS寻找到后才结束。

新物理法则

那寻获全部标准模型的属性,我们的工作就结束了吗?当然不是。在标准模型里,地心引力没被包含进去,无法解释在黑洞里极度弯曲时空的物理。 

在宇宙学上,我们不懂占了宇宙总能量96%的黑物体(Dark Matter)和黑能量(Dark Energy)。我们不懂中微子为什么有质量。

我最感兴趣的问题是希格斯粒子质量组件的来源。希格斯粒子的质量(大约126 GeV)是不被对称保护的。量子的自我相互作用(无法避免)会把它的质量提升至1019 GeV的地心引力常数值。这是一个天文数字的差别。

如果我们想要从极端高能量物理派生希格斯粒子的质量,除非你相信偶然和奇迹,即两个大数目在极端高能减去16个零后得到126 GeV,不然你就需要新的理论来解释这个现象。

理论物理学家都相信,还有一些我们不懂的物理法则,在等着我们去了解是什么新物理法则在保护着希格斯粒子的质量。那段旅程,目前还很遥远。

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