科学家验证“平行时空”：科幻情节走入现实世界？

自由中子有百分之一的可能性穿越到镜像宇宙？科学界不拒绝哪怕最离奇的猜想，但要通过检验之后才能成为科学理论。

　　近日，据《新科学家》杂志报道，美国田纳西州橡树岭国家实验室（橡树岭是人类历史上第一枚原子弹的诞生之地）的物理学家利娅·布鲁萨尔（Leah Broussard）和她的团队，试图在实验室里检测镜像平行宇宙是否存在，来解决在中子衰变研究领域已经存在了40年的一个难题。

　　用科幻设定来解决科学问题，这究竟是怎么一回事？

　　何谓镜像平行宇宙

　　其实，所谓科幻设定，本就是用来科学发现。比如镜像平行宇宙，实际上涉及两个基础量子物理学概念，宇称（镜像对称），以及概率解释延伸出来的“平行时空”。

　　在我们生活里，可以看到很多简单镜像，也就是左右对称的图形。在经典物理学领域，左右方向也是完全一致的，镜子里的世界跟镜子外的世界都可以完美地存在。但在量子力学领域里，这种对称性被杨振宁和李政道发现的“宇称不守恒”打破了，从而揭开了当时著名的“-之谜”，即在弱作用力（四种基础作用力之一）参与的核反应过程中，宇称是不守恒的。

　　不仅如此，杨、李还设计出了实验来证明这种不守恒导致的效应，华人科学家吴健雄女士很快做出了其中一个实验，从而证明杨、李的理论是对的，推翻了长期以来默认的“宇称守恒”，震惊了物理学界——在量子力学里，镜子里面的世界，跟镜子外面的世界，竟然是不一样的。

　　至于平行宇宙，科幻迷已经很熟悉了。在量子的概率波解释里，关在箱子里那只可怜的“薛定谔的猫”，在被观测之前，既是死的，也是活的，是两种状态的叠加态。在被观测之后，它被理解变成只有一种状态，要么是死的，要么是活的。

　　那么，另一种状态哪里去了？有一种解释认为，另一种状态依然存在，是我们的宇宙发生了分裂，在平行时空里，那只猫变成了另一种状态。

　　量子世界的这种变化和解释，跟我们生活经验、经典物理是完全不一致的。对于这种“平行宇宙”解释，同意者无法证实，反对者也无法证伪。看看，我们熟悉的科幻假定，竟然来自科学家最初的异想天开。

　　中子衰变难题，逼出“镜像平行宇宙实验”

　　报道中的主角布鲁萨尔在著名的橡树岭国家实验室研究中子物理。中子，就是几乎所有原子核里都存在的那种不带电的粒子。在原子核里，它性质很稳定，可以长期存在。虽然有时也不老实，会发生衰变，从中子变成质子，顺便扔出一个电子和一个中微子。

　　可中子一旦获得了自由，它们立即进入衰老期，发生衰变，每过大约15分钟就会损失一半（这个时间叫做“半衰期”）。

　　问题就出在对自由中子“大约15分钟”的精确测量里。中子物理学家们有两种方法来测量它，一种方法是将它们隔离在一个“瓶子陷阱”中，让它安静地待着，自由衰变，过一定时间后再数一数剩余的数量；另一种方法是从核反应堆里取出一束奔跑的中子，在奔跑路线上设卡计数，数中子衰变之后产生的质子数。可这两种方式得到的半衰期结果总是大同小异——前者为14分39秒，后者为14分48秒。也就是说，大约900秒的时间，两个结果差了9秒钟。

　　40年来，中子物理学家们绞尽脑汁想弄清楚，究竟是哪里出了问题。

　　面对这个按照严谨的科学逻辑都无法圆上的“情节”，布鲁萨尔和同事们被迫祭出了科幻作家常用的法宝：平行时空，而且是镜像的。

　　这个解释就是，可能真的存在镜像平行宇宙，在奔跑的中子束里有1%的中子，拥有穿越到镜像平行宇宙的能力，它们也发生了衰变，只是不是在我们这个宇宙发生的，那些衰变出来的质子就丢了，观测结果就“显得”半衰期长了一些。

　　实验尚未展开，结果并不乐观

　　怎么证明“中子穿越到了镜像平行宇宙”呢？布鲁萨尔的实验设计看起来有些“异想天开”：她设想的是让中子重新穿越回来。为此，要设置一堵厚墙，这堵墙是我们这个宇宙里的中子无论如何也无法穿透的。

　　可按照“镜像平行宇宙”假设，那一束奔跑的中子束里，有些中子无需陷在墙里，在其他中子迎头撞墙，陷落在墙里的时候，它们到另一个宇宙去逛了一圈，相当于绕过了墙，然后穿越回来，出现在了墙后面。

　　所以，科学家的想法是在墙后设置探测装置，抓住这些利用镜像平行宇宙成功翻墙的“狡猾”中子。这样一来，两种测量中子半衰期的实验就能获得一致结果了。

　　不过目前来说，做出任何评价都还为时过早。因为这个实验设想虽然完成了，何时开展还需待另一个前期实验的结果分析。而主持那个实验、还在分析数据的科学家说：“尽管得到任何成果的可能性都很小，但这是一次简单且不昂贵的实验，如果一场物理学革命中可能会产生好的结果，那么我们必须尝试。”

　　也就是说，中子物理学家们对这个问题已探索了40年，结果绝望地发现似乎在我们这个宇宙里根本找不到答案，所以，那些带有科幻色彩的想法就进入到了科学家们的视野。又因为“简单且不昂贵”，这样脑洞大开的设想才可能被付诸实施。

　　如何理解科学家检验“科幻设定”

　　实际上，这个事也可以帮我们理解，科学里面的理论解释和实验验证之间的关系。在现代科学里，科学实验是为了检验（证实或者证伪）某种科学理论猜想。也就是说，任何科学实验在执行之前，都必须要有足够的依据说明，它才是有价值的。

　　像这样的镜像平行时空的假设，从理论上而言，是并不太靠谱的，但是这个实验设计有一个好处，就是其成本非常低，技术都是现成的，所以这个实验才得以顺利地进入到实施阶段。

       另一个启发是，科学实验设计的结论必须是开放的，任何一位科学家都必须要接受科学实验所给出的任何可能的结果：证实或者证伪。如果这个实验在“不可能穿透的墙”后面真的探测到了中子信号，那么，想必物理学家们会大吃一惊，会有更多的同类实验进行检验，也会有大批理论学者们对平行时空假设进行热烈的探讨，掀起一场物理学新革命。

　　当然还有一种可能性，也就是连设计者都认为的，就是这个实验并未探测到任何中子信号。也就是说，至少这个实验会降低“镜像平行时空”这个假设存在的可能性——以后的科幻作家用起这个概念也会更谨慎吧？

　　当然，这种双重可能性恰恰是科学实验最具魅力的地方。未来的答案究竟在什么方向？连最前沿的物理学家也不知道，所以，人们欢迎哪怕是最神奇的想法。

　　当然，“谁主张谁举证”，提出想法的人必须像这位科学家一样，提出最好比较、成本较低的检验方案。但也必须承认，最终答案在哪里，我们依然不知道。也可能多年后，人们回头发现，即便是现在科学家们最狂野的想象，也显得过于保守了。

　　□孙正凡（天体物理学博士）