測(cè)量角度下的平行宇宙

季順平

武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，武漢 430079

1 消失的視差

古代的智者通過對(duì)月亮和太陽的持續(xù)觀測(cè)，建立了歷法、授時(shí)系統(tǒng)；通過繩子和日影，古人測(cè)量日常物體以及子午線的長(zhǎng)度；發(fā)明指南針和羅盤，利用地球磁場(chǎng)為旅人和航海家指明方向。在四維時(shí)空中，時(shí)間、長(zhǎng)度和方向是最基本的測(cè)量元素。然而，有個(gè)問題一直困擾著古代智者：仰望星空，星光燦爛，那么恒星到底有多遠(yuǎn)？

借助雙目視覺和三角測(cè)量，人們可以得到物體遠(yuǎn)近與視差的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。把食指豎在眼前10 cm處，快速交替閉合左右眼，食指出現(xiàn)的位置差異，反映了10 cm處的視差。逐漸把手指遠(yuǎn)離身體，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)視差在減小。假設(shè)食指能夠出現(xiàn)在超遠(yuǎn)處，那么你的眼睛就無法辨別這個(gè)視差，也就無法分辨食指的距離了。聰明的古代人知道移動(dòng)腳步，從兩個(gè)不同的位置觀測(cè)同一個(gè)物體，這相當(dāng)于增加了視差角。例如：現(xiàn)代的你在一列火車上，天上停著一架飛碟，在某個(gè)時(shí)刻你正視它；1 min后，假定火車行駛了5 km，然后你偏過頭看著它。根據(jù)你視線的角度以及5 km的基線長(zhǎng)，就能得到飛碟到你的距離。然而，這并不適用于恒星。即使如夸父追日般狂奔，你所贏得的基線相對(duì)于恒星的距離而言也如此微不足道——恒星沒有視差！

事實(shí)上，古希臘的天文學(xué)已相當(dāng)先進(jìn)，古希臘學(xué)者早就認(rèn)識(shí)到地球繞著太陽轉(zhuǎn)，但由于無法測(cè)量恒星的距離，他們錯(cuò)誤地認(rèn)為：所有恒星都位于某個(gè)遙遠(yuǎn)的恒星天球上。測(cè)量宇宙和恒星的第一步來自阿基米德。這位著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、測(cè)量學(xué)家和工程師，借助一些假設(shè)和幾何學(xué)，得出恒星距離地球大約4.5億km，宇宙寬度為18億km。雖然這個(gè)“宇宙”太小了，但有一點(diǎn)值得參考，在相隔6個(gè)月的時(shí)刻，你將擁有地球上最大的視差2 AU(天文單位，定義為日地距離，1 AU≈1.5億km)。然而，這個(gè)距離依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要知道，最近的恒星遠(yuǎn)在10光年之外，而1光年約等于6萬AU，人眼無法辨識(shí)如此微小的張角。

突破來自新的測(cè)量工具——望遠(yuǎn)鏡。1608年，荷蘭的商人Lippershey制作了世界上第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，能夠把物體放大3倍；一年后，伽利略將望遠(yuǎn)鏡改良到放大30倍。從某種意義上，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明促成天文學(xué)真正從測(cè)量學(xué)中分離出來。又過了一個(gè)世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)日益成熟。年輕的天文學(xué)家貝塞爾(也是那個(gè)數(shù)學(xué)家貝塞爾)在利林塔爾天文臺(tái)，利用6個(gè)月的繞日基線和一架精密的望遠(yuǎn)鏡，得到了恒星天鵝座61的距離為10.5光年。與如今的11.4光年相比，算是相當(dāng)精準(zhǔn)了。這是第一次，人類精確地得出恒星的距離。雖然在50年前，根據(jù)另一位科學(xué)家赫歇爾的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)(也是由于望遠(yuǎn)鏡)，人們已經(jīng)推翻了古希臘的“恒星天球”模型。不過，他的測(cè)量精度和主觀前提假設(shè)不太符合“測(cè)量”的標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)光年外的恒星，可以通過經(jīng)典視差法測(cè)量，但若恒星遠(yuǎn)在百萬甚至10億光年之外，視差法就毫無作用了。于是，需要新的“量天尺”登場(chǎng)了。

2 標(biāo)準(zhǔn)燭光

試想這么一個(gè)場(chǎng)景：在溫馨的月夜，你的情人捧著生日蛋糕向你走來。生日蠟燭的亮度取決于到你的距離。假定在20 m的時(shí)候是1，在10 m的時(shí)候就是4。亮度與引力一樣，在三維空間遵循平方反比定律。再假定生日蠟燭的標(biāo)準(zhǔn)亮度已知，那么，就可以反推出情人到你的距離?，F(xiàn)在問題歸結(jié)為：是否存在某種特殊的恒星，具有某種型號(hào)的蠟燭那樣固定不變的標(biāo)準(zhǔn)亮度？

造父變星成為一類最早發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)燭光絕非巧合。試想，仰望星空時(shí)，如果某個(gè)家伙的亮度居然不停地周期性變化，相對(duì)于絕大多數(shù)“表情僵硬”的恒星同類，自然是明顯的靶子。20世紀(jì)初，女科學(xué)家勒維特在哈佛大學(xué)天文臺(tái)做測(cè)量工作時(shí)，當(dāng)時(shí)相機(jī)已經(jīng)發(fā)明，因此測(cè)量和計(jì)算都在像片底板上進(jìn)行。她發(fā)現(xiàn)了造父變星的周期變化速率與其亮度直接相關(guān)，再輔以大量近距離造父變星與視差法測(cè)量的相互印證，使得造父變星成為測(cè)度宇宙距離的主力武器?！霸旄浮倍植]有實(shí)際意義，它指第一顆變星對(duì)應(yīng)的中文名。變星呈數(shù)天到數(shù)月的周期性脈動(dòng)，取決于引力與星核反應(yīng)兩者之間的角力：引力占上風(fēng)時(shí)，恒星收縮；核反應(yīng)劇烈時(shí)，恒星膨脹。相比較而言，太陽要溫和得多。

然而，變星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光也有許多的問題。例如：造父變星本身就有幾種不同的類別，每種類別亮度不一樣，導(dǎo)致測(cè)量誤差。此外，在更遙遠(yuǎn)的星系，望遠(yuǎn)鏡能看到最亮的恒星，變星卻因?yàn)樽陨聿粔蛄炼鵁o法識(shí)別。這時(shí)，有個(gè)叫哈勃的人跳了出來。

1897年，8歲的哈勃收到祖父贈(zèng)送的一架望遠(yuǎn)鏡作為生日禮物，奠定了他與天文的一世情緣。父親卻完全沒有意識(shí)到兒子在天文方面的潛能，讓哈勃專心去學(xué)法律。作為一名平庸的法律學(xué)生，哈勃把心思都撲在天文上。1923年，哈勃在仙女座星云中發(fā)現(xiàn)一顆距地球90萬光年的造父變星，刷新了宇宙的大小，改變了人們的宇宙觀，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的普遍認(rèn)識(shí)是“宇宙就是10萬光年的銀河系”。既然系外有系，問題就接踵而來。仙女座是距離銀河最近的星系，因此還能找到變星。然而，其他更遙遠(yuǎn)的星系怎么測(cè)量？哈勃提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：在每個(gè)星系中，最明亮的恒星亮度相同。由此我們就能推算獵戶座、英仙座等到地球的大致距離。雖然這個(gè)假設(shè)不是那么靠譜，但是它在估算遙遠(yuǎn)星系的距離上依然有所建樹，并不斷刷新著宇宙的大小。更精密的測(cè)量則要依賴一個(gè)更完善的宇宙學(xué)模型。

3 測(cè)量宇宙年齡

宇宙永恒不變，時(shí)間均勻流逝——這是直到20世紀(jì)初的科學(xué)界的普遍認(rèn)識(shí)。連愛因斯坦也在他的廣義相對(duì)論方程中加入一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)λ，阻止宇宙膨脹或收縮。那么，在一個(gè)穩(wěn)恒態(tài)宇宙中，如何測(cè)量宇宙存在的時(shí)間？天文學(xué)界一度非常尷尬，幾乎沒有拿得出手的觀測(cè)證據(jù)。相對(duì)而言，地學(xué)界對(duì)地球年齡的測(cè)量則十分明確，借助鈾等自然物質(zhì)的放射性衰變和同位素測(cè)量，得知地球已經(jīng)存在45億年。

穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型的錯(cuò)誤導(dǎo)致宇宙年齡測(cè)量的難題，推翻這一模型的動(dòng)力來自于哈勃直接觀測(cè)到的紅移現(xiàn)象。假定一輛列車?guó)Q笛呼嘯駛來，你會(huì)聽到笛聲逐漸變急，而當(dāng)列車離去時(shí)，笛聲漸緩。這是聲波的頻率在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生的變化，電磁波也一樣。發(fā)光的恒星遠(yuǎn)離你時(shí)，其相對(duì)頻率降低，向著紅波段偏移；如果靠近你，其頻率升高，向著藍(lán)波段偏移。那么問題是：星星看上去不都長(zhǎng)得一個(gè)樣嗎？哈勃是怎么發(fā)現(xiàn)紅移的？這就引出另一位高人了。

1664年，劍橋大學(xué)在讀生牛頓開始了兩年假期——瘟疫席卷劍橋。這段閑暇中，他不僅思考了經(jīng)典力學(xué)和萬有引力，探索了微積分，還在光學(xué)上成果頗豐。他在暗室擺弄他買的玩具棱鏡，第一次證明了白光是由彩虹色混合而成。根據(jù)這一點(diǎn)，他還想到：蘋果樹之所以是綠色，因?yàn)槠渌伾墓獗粯淙~吸收了。當(dāng)然，那個(gè)時(shí)代還沒有量子物理這個(gè)理論依據(jù)。其背后的原理是：物體自身帶有電子，電子吸收了光的能量，而且，組成物體的特定元素只吸收特定能量的光。樹葉顯然對(duì)綠光沒興趣?，F(xiàn)在把這個(gè)原理應(yīng)用到恒星上：在恒星內(nèi)部，高溫使得各個(gè)波段連續(xù)存在，就像太陽一樣；然而，恒星外圍的大氣由某些特定元素構(gòu)成，特定能量的光子在穿過恒星大氣，飛向我們的眼睛或望遠(yuǎn)鏡時(shí)，將被這些元素吸收，因而在連續(xù)的光譜曲線上留下條條黑線。檢查黑線的設(shè)備叫作分光鏡，就是牛頓用的那種。現(xiàn)代的分光鏡稱為成像光譜儀，可檢查非常精密的光譜段。光譜儀最開始被用來分析太陽的組分，并發(fā)現(xiàn)太陽中最重的元素是鐵。奇妙的是，人類身體里卻有比鐵更重的元素。由此推斷，我們不但是恒星的孩子，還是超新星之子。超新星爆發(fā)具有更高的能量，能制造出更重的元素，爆發(fā)的那一瞬間將照亮整個(gè)宇宙。人類是如此榮幸，如此深得厚愛。

以上成果奠定了哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙尺度紅移的理論基礎(chǔ)。恒星的黑線就像指紋。如果光發(fā)生了紅移或藍(lán)移，那么黑線的位置在標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線上就會(huì)產(chǎn)生偏移。偏移量的大小，決定了恒星與我們的相對(duì)速度。雖然以前已經(jīng)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了個(gè)別恒星的紅移或藍(lán)移，但只有哈勃有自信“拿下宇宙”。借助大量觀測(cè)，不久他就提出了哈勃定律：星系距離翻一番，退行速度翻一番。穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型被擊垮了，宇宙確確實(shí)實(shí)在膨脹。以霍伊爾為代表的穩(wěn)恒派的掙扎無濟(jì)于事。愛因斯坦宣稱，加入宇宙學(xué)常數(shù)是他一生最大的錯(cuò)誤；愛丁頓也倒戈相向，全力支持膨脹的宇宙和大爆炸學(xué)說，并根據(jù)逆向退行速度計(jì)算了宇宙的年齡為20億年。宇宙比地球年輕？愛丁頓的巨大計(jì)算誤差隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和大爆炸學(xué)說的完善而得到持續(xù)修正。

4 永恒暴脹下的平行宇宙

早在哈勃的觀測(cè)之前，物理學(xué)家弗里德曼根據(jù)相對(duì)論計(jì)算得到：宇宙要么是在膨脹要么是在收縮。1927年，神學(xué)家兼宇宙學(xué)家勒梅特提出，如果宇宙在膨脹，那么它早期就是一枚原始宇宙蛋，或者一個(gè)原生原子。他的計(jì)算同樣基于相對(duì)論，但愛因斯坦當(dāng)時(shí)評(píng)價(jià)說：計(jì)算正確，物理上令人生厭。隨后哈勃的觀測(cè)成為支持大爆炸的第一份有力證據(jù)。第二份待驗(yàn)證的證據(jù)來自另一位大爆炸奠基人伽莫夫。在伽莫夫的宇宙中，大爆炸發(fā)生后宇宙中充滿等離子體，隨機(jī)吸收和發(fā)射光子，宇宙就像一鍋粥；直到30萬年后，電子和離子結(jié)合生成原子，光不再被阻撓，宇宙變透明了。在等離子變成氣體的瞬間，宇宙間的第一道光一直會(huì)存在到今天。為什么呢？因?yàn)橛钪婵傮w來說是空蕩蕩的，只有極少量的光被吸收，而絕大多數(shù)的光會(huì)均勻分布在宇宙中，隨著空間膨脹而產(chǎn)生紅移，損失能量。伽莫夫等人的計(jì)算表明：這些原初光現(xiàn)在的溫度大概是5 K。直接的觀測(cè)證據(jù)要等到1965年，威爾遜和彭齊亞斯在一臺(tái)無線電接收機(jī)中發(fā)現(xiàn)了某種溫度3 K的噪聲，一度曾懷疑是鴿子在搗鬼，后來與另外一個(gè)團(tuán)隊(duì)溝通，他們才發(fā)現(xiàn)自己撿到寶了——發(fā)現(xiàn)了大爆炸的直接證據(jù)，即宇宙背景輻射，且因此收獲了諾貝爾獎(jiǎng)。

下一個(gè)出場(chǎng)的是阿蘭?古斯。雖然大爆炸已將穩(wěn)恒宇宙打翻在地，但是有個(gè)問題一直無法解釋：宇宙為何如此平坦？在宇宙開端的30萬年，我們可以設(shè)想：由于引力，物質(zhì)的分布是不均勻的，因此，物質(zhì)多的地方，光被吸收的就會(huì)多，而物質(zhì)少的地方，就有更多的光留下來。這就導(dǎo)致3 K的宇宙背景輻射理論上是不均勻的。但這和實(shí)際觀測(cè)不符。古斯提出了暴脹理論。在宇宙誕生極短的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了一場(chǎng)指數(shù)級(jí)的暴脹，在10-35s內(nèi)從一粒原子一下子吹成1個(gè)氣球。遠(yuǎn)超光速的暴脹把一切都給抹平了，連引力都沒反應(yīng)過來。1989年，COBE衛(wèi)星帶來了宇宙背景輻射天圖；2001年，更加精確的WMAP對(duì)天圖進(jìn)一步優(yōu)化。這些觀測(cè)都和暴脹理論相當(dāng)吻合。將這些觀測(cè)和廣義相對(duì)論結(jié)合，再加入精確的哈勃常數(shù)，以及暗物質(zhì)、暗能量等奇怪的調(diào)料，目前的最合理結(jié)論是：宇宙存在了137億年，宇宙大約是半徑400億光年的一個(gè)光球。

約從2000年開始，平行宇宙(多重宇宙)的概念不再是科幻小說的噱頭。在證據(jù)的累積和嚴(yán)密的推理下，名號(hào)響亮的物理學(xué)家和宇宙學(xué)家們不再遮遮掩掩，開始鼓吹平行宇宙。最容易被理解的平行宇宙，就是天文學(xué)的暴脹宇宙。在此理論下，“我們的”宇宙半徑是400多億光年。在400多億光年之外，本宇宙的光從未到達(dá)。仔細(xì)思考一下，“400多億光年外空無一物”這個(gè)論斷特別不靠譜，特別自大。更好的假設(shè)是：我們的宇宙外充滿了與我們的宇宙相仿的元素和結(jié)構(gòu)。這些宇宙與我們的宇宙在空間上相鄰，構(gòu)成第一層平行宇宙。此外，多數(shù)科學(xué)家相信第一層平行宇宙是無窮的。你呢？相信無窮，意味著你要相信：有無數(shù)個(gè)和地球一樣的星球，以及無窮多個(gè)你，過著和你完全相同的生活，或者相差仿佛。換句話說，只要不違背物理定律，任何一種可能性都會(huì)在一個(gè)無窮的宇宙中實(shí)現(xiàn)，如尼安德特人打敗智人，荊軻成功刺殺嬴政，希特勒統(tǒng)治全球，牛頓沒被蘋果砸出火花。

第二層平行宇宙要復(fù)雜一些，把暴脹和大爆炸發(fā)生的次序交換一下更容易理解。首先，暴脹的一個(gè)先進(jìn)品種叫做“永恒暴脹理論”。永恒暴脹是指：有個(gè)完全未知的事物，姑且稱為“暴脹場(chǎng)”，或者不精確地比喻作宇宙的虛無搖籃，在某個(gè)更不知所謂的“暴脹子”的作用下，處于永恒的劇烈擴(kuò)張中。突然，某個(gè)區(qū)域停止暴脹，并發(fā)生一場(chǎng)大爆炸，爆炸導(dǎo)致又一個(gè)第一層宇宙形成了。由于暴脹永遠(yuǎn)快于爆炸，在第二層平行宇宙中，第一層平行宇宙永遠(yuǎn)無法在空間上彼此接近。打個(gè)比方，想象永恒暴脹的潮水，不時(shí)泛起一個(gè)新的宇宙泡泡，雖然泡泡也在長(zhǎng)大，但永遠(yuǎn)趕不上母體的生長(zhǎng)速度。

大爆炸和永恒暴脹只是一門與觀測(cè)符合良好的“學(xué)說”或“假說”，并且滿身補(bǔ)丁。倔強(qiáng)的霍伊爾代表少數(shù)派持續(xù)與正統(tǒng)的大爆炸學(xué)說抗?fàn)幹Ｔ?001年，他去世前一年，寫了一本書概括了大爆炸的困境，其中的一些關(guān)鍵問題目前依然是大爆炸無法面對(duì)的。

以上我們從宏觀的測(cè)量角度引出了兩類平行宇宙的概念，以下將從微觀角度出發(fā)，導(dǎo)出第三類平行宇宙。

5 最后一位煉金術(shù)士

功成名就的牛頓爵士，后半生花了30年研究煉金術(shù)，被一些科學(xué)史家稱為“最后一位煉金術(shù)士”。當(dāng)然，結(jié)果注定一無所成。很多人為此惋惜：如果他將時(shí)間花在“真正的科學(xué)”上，那該有更輝煌的價(jià)值。筆者倒沒這么想過。

煉金簡(jiǎn)單概括為：將不同的物質(zhì)混合，加以一定的能量(加熱等化學(xué)能或攪拌等機(jī)械力)，試圖得到新的物質(zhì)。新的物質(zhì)中，最吸引人的有兩類：包治百病的藥方(乃至長(zhǎng)生不老藥)和閃爍迷人的黃金(及其他貴金屬)。與化學(xué)何其相似？化學(xué)藥品治病延年，化學(xué)反應(yīng)制造稀有之物。然而，當(dāng)時(shí)化學(xué)雖然萌芽，但既沒有近代原子論，也沒有元素周期表，看似科學(xué)的化學(xué)與看似虛妄的煉金無從分割。牛頓曾經(jīng)自述：自己存在之理由，乃重現(xiàn)自然之架構(gòu)。他已經(jīng)完成了宏觀的理論——適用萬物的牛頓力學(xué)和萬有引力。然后牛頓選擇向內(nèi)看，借助煉金術(shù)的已有知識(shí)(大多是錯(cuò)的)，研究物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。這實(shí)際上是和微觀的分子、原子打交道。這也是本節(jié)的主題：只測(cè)量宏觀的物體，不能完全了解宇宙，需要觀測(cè)另一極，即相輔相成的微觀宇宙。

牛頓做不出成績(jī)既非能力局限，也非方向錯(cuò)誤，而是時(shí)代的限制。最后，一場(chǎng)突如其來，或者說不期而至的大火，燒毀了他30年的研究(絕大多數(shù)毫無意義)。那么，煉金術(shù)士們，包括這一位，為何煉不出金子？

6 基本力

首先回顧自然界中金子誕生的流程。在元素周期表中，鐵的原子序數(shù)26，金的原子序數(shù)79。越重的元素，越難得到。太陽大小的恒星，最絢麗的爆發(fā)也只能得到鐵，而金，則需要靠超新星爆發(fā)。這種極致的力量來源極為稀有，因此，不僅地球上，在整個(gè)宇宙中金子都是彌足珍貴的。

在這些新星爆發(fā)等狂野表觀力量背后的，是存在于微觀物體之間的基本力。最微弱的力是萬有引力，但它在宏觀尺度上表現(xiàn)優(yōu)異：聚集星系，生成地球、萬物和多彩世界。引力在有質(zhì)量的物體間傳遞，傳遞質(zhì)量的信使是最近發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子。次弱的基本力稱為弱相互作用力，由W和Z玻色子負(fù)責(zé)傳遞。它將中子衰變成質(zhì)子、電子和中微子。我們最熟悉的光，是電磁力的信使。電子擁有負(fù)電荷，質(zhì)子擁有正電荷。電磁力結(jié)合電子和質(zhì)子，形成原子；進(jìn)一步結(jié)合原子，形成分子。化學(xué)反應(yīng)的主要力量就是電磁力，化學(xué)是關(guān)于原子核與電子的游戲。

煉金術(shù)士的目的可以這么描述：改變鐵原子中的質(zhì)子數(shù)，將26增加到79，變成金子；或者，從鉛(質(zhì)子數(shù)82)中取出3個(gè)質(zhì)子。這就涉及到另外一種力：強(qiáng)相互作用力(強(qiáng)力)。強(qiáng)力比電荷間的庫侖力強(qiáng)得多，它屬于短程力，只要距離足夠近，就能使帶正電荷的質(zhì)子緊緊抱團(tuán)。同樣也能結(jié)合中子。強(qiáng)力實(shí)際上是夸克之間的相互作用力，三個(gè)夸克組成一個(gè)質(zhì)子或中子。傳遞強(qiáng)力的媒介稱為膠子。300年前的煉金術(shù)士，想要克服強(qiáng)相互作用力，只能是癡心妄想。300年后的今天，科技突飛猛進(jìn)，我們能夠制造出金子嗎？可以很勉強(qiáng)地回答：能。現(xiàn)在的普遍做法是：將粒子加速到接近光束，然后去撞擊鉛、汞等比金的質(zhì)子數(shù)稍多的元素。無數(shù)次的撞擊，恰好有那么一兩次撞掉恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)子數(shù)，得到金。然而，這種投機(jī)取巧，還靠那么一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣的制造方式，只能在高尖端的實(shí)驗(yàn)室才能實(shí)現(xiàn)；而且，所花費(fèi)的成本，要比制造得到的黃金貴多啦！要想實(shí)打?qū)嵉乜朔?qiáng)力，把質(zhì)子塞到一起做成金子，抱歉，沒門。那么人類目前做到哪一步呢？抱歉，我們連最簡(jiǎn)單的氫原子都無法聚合，毋寧說氦、鐵、金等更復(fù)雜的原子了。唯一能夠聚合的，是氫的同位素，氘或氚啦！沒錯(cuò)，這就是人類目前擁有的最強(qiáng)大武器——?dú)鋸棥?/p>

我們知道了普通物質(zhì)由質(zhì)子、中子(或夸克)、電子，以及中微子組成，由光子、膠子等玻色子傳遞力，那么，如何表達(dá)某個(gè)粒子在時(shí)空中的狀態(tài)？這就需要再次回到測(cè)量。

7 測(cè)量的幽靈

在牛頓力學(xué)中，為表達(dá)某個(gè)物體在三維空間的狀態(tài)，可以采用6個(gè)參數(shù)：3個(gè)代表在指定坐標(biāo)系中位置，3個(gè)代表坐標(biāo)系中的速度。這些參數(shù)可以通過人的眼睛、相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡量測(cè)并計(jì)算得到。當(dāng)你把顯微鏡指向微觀物體，比如說，想量一量電子或原子的位置和速度，那就行不通了，因?yàn)槲⒂^物體并不遵循牛頓力學(xué)！

1911年，盧瑟福最先建立起氫原子模型(圖1)：像太陽系一樣，帶負(fù)電的電子圍繞帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)。根據(jù)電荷間的引力，盧瑟福模型計(jì)算得到的速度，和實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)量的速度，幾乎完全一致。然而， 這將引發(fā)一個(gè)關(guān)鍵的模型崩潰問題。地球繞著太陽轉(zhuǎn)，通過引力波的形式輻射能量，但萬有引力異常微弱，即使過了數(shù)億年，損失的能量也幾乎忽略不計(jì)，軌道并不發(fā)生改變。然而，電磁力比引力大得多(大1036倍)，并且電子在高速旋轉(zhuǎn)！通過簡(jiǎn)單的計(jì)算得到：如果電子繞著原子核連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以電磁波的形式輻射能量，那么電子掉到原子核上只需0.02 ns。不光原子模型，整個(gè)物理世界都崩潰啦！

兩年后，物理大師玻爾站了出來?；?905年愛因斯坦提出的光量子的思路(即光是一份一份的，而非連續(xù)的波)，他認(rèn)為運(yùn)動(dòng)軌道也不是連續(xù)的，而是具有不同的層級(jí)。電子在不同層之間的運(yùn)動(dòng)是一種稱為“躍遷”的瞬間跳變，而非宏觀力學(xué)中的連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。通過吸收和發(fā)射光子，電子在特定層級(jí)上躍遷，保證能量守恒，同時(shí)可解釋光譜曲線中的黑線。不過，玻爾模型只能用于只含一個(gè)電子的氫原子。這顯然是不完備的。

圖1 盧瑟福原子模型(左)、玻爾原子模型(中)和薛定諤原子模型(右)

到了1924年，德布羅意指出，電子(以及所有的粒子)都和光一樣，具有波的性質(zhì)！稱為“物質(zhì)波”。在博士論文中，他用波來解釋電子，得到了和玻爾粒子模型完全一致的結(jié)果。德布羅意是至今為止唯一一位靠博士論文得到諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。1925年，德布羅意在一次會(huì)議上講述了他的想法。講完后，物理學(xué)家德拜問道，你講了半天，那么這個(gè)波動(dòng)方程，到底在哪呢？

聽著報(bào)告的薛定諤開始思考。一年后，薛定諤波動(dòng)方程：i?Ψ′=HΨ出爐了。與此同時(shí)，以海森堡為代表的矩陣派也解決了這個(gè)問題。在薛定諤的方程中，Ψ被稱作“波函數(shù)”，Ψ絕對(duì)值的平方代表電子出現(xiàn)在某個(gè)位置的概率。到此為止，塵埃落定。一個(gè)宏觀物體的狀態(tài)，由位置和速度表達(dá)；物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何改變，由牛頓力學(xué)或愛因斯坦相對(duì)論決定。一個(gè)微觀物體狀態(tài)，由波函數(shù)表達(dá)；薛定諤方程等號(hào)左邊的波函數(shù)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，揭示該物體在時(shí)空中的演變。

然而，Ψ是一個(gè)幽靈，至今沒人能夠真正詮釋它到底是什么。它所對(duì)應(yīng)的概率值永不為0，因此，某個(gè)電子或原子就像無盡的波浪，會(huì)出現(xiàn)在宇宙的每個(gè)角落！

8 顯微鏡發(fā)展史

除了物理理論，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家需要相應(yīng)的觀測(cè)驗(yàn)證。直接觀察原子需要精良的顯微鏡，光學(xué)顯微鏡與望遠(yuǎn)鏡一樣，都屬于放大鏡。第一個(gè)作出卓越貢獻(xiàn)的是牛頓的老對(duì)手胡克。1665年，借助放大30倍的顯微鏡，胡克在植物上發(fā)現(xiàn)許多空洞，并命名為Cell(細(xì)胞)。10年后，列文虎克將性能提升到放大275倍。直到今天，高校實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)顯微鏡也是這個(gè)量級(jí)。光學(xué)顯微鏡受限于任何小于可見光波長(zhǎng)的物體都會(huì)發(fā)生衍射效應(yīng)，因此，普通光學(xué)顯微鏡的極限是2 000倍。

雖然可以用紫外或更高頻的光來提高光學(xué)顯微鏡的能力，但成效有限。剛才我們說到：德布羅意把電子看作波，而電子的波長(zhǎng)要比可見光短很多，那么，不就可以用電子進(jìn)行顯微觀測(cè)嗎？1933年，研究員盧斯卡和克諾爾發(fā)明了電子顯微法，能夠放大1萬倍。顯微鏡可分成兩類：主動(dòng)式和被動(dòng)式。光學(xué)顯微鏡是將打在物體上的環(huán)境光反射到鏡片上，即被動(dòng)式成像；而電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱電鏡)，則是主動(dòng)式成像。從電子槍中發(fā)射電子，打在物體上，經(jīng)過與物體的相互作用，反射并被顯微鏡捕捉。通過相互作用后的電子狀態(tài)，反演微觀物體的形狀和位置。

今天的電鏡大約能夠放大300萬倍，可以清晰顯示物體的原子結(jié)構(gòu)，但要真正地觀察和掌控單個(gè)原子，需要更精密的儀器：掃描式隧道顯微鏡STM。這是一種特別的成像方式，既不是主動(dòng)式，也不是被動(dòng)式，我們可以說：它屬于“直接接觸”式，或者叫做“盲人摸象”式。想象一根非常尖的針，針頭只有1個(gè)原子，把這個(gè)原子看作一個(gè)人。針尖上帶有1個(gè)電荷，就是盲人的手。盲人用手細(xì)細(xì)掃過原子，根據(jù)手的感覺(電流的變化)，就可探測(cè)到原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

1986年，發(fā)明掃描隧道顯微鏡的賓尼希和羅雷爾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，同年獲獎(jiǎng)的還有發(fā)明電鏡的盧斯卡。盧斯卡經(jīng)過53年的等待，成就了史上“等待諾獎(jiǎng)時(shí)長(zhǎng)記錄”。看樣子除了成就之外，敬請(qǐng)保重身體！

9 量子力學(xué)的平行宇宙

既然電子和原子也具有波的特性，那么，觀察這個(gè)效應(yīng)的最簡(jiǎn)單也最本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)就是“雙縫干涉”(圖2)。從電子槍中一個(gè)個(gè)發(fā)射電子，由于電子的波動(dòng)性，它就像水波同時(shí)穿過了2條縫隙，并在屏幕上產(chǎn)生干涉條紋。這一點(diǎn)也不奇怪，離奇的是：若你用一臺(tái)顯微鏡對(duì)準(zhǔn)縫隙，來觀察電子的軌跡，就發(fā)現(xiàn)它只穿過其中一條縫隙，并且不再產(chǎn)生干涉條紋，它又變成了粒子！20世紀(jì)90年代末筆者剛上大學(xué)，從一本書中了解到的這些，構(gòu)成筆者所知道的最恐怖的故事。

圖2 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)(左圖)；當(dāng)粒子的軌跡被嚴(yán)密觀測(cè)時(shí)，干涉現(xiàn)象不見了(右圖)

不看，像波一樣干涉；看，變身成粒子。究竟如何理解這件事？難道電子知道你在“觀測(cè)”它，從而重新選擇某條確定的道路？玻爾的哥本哈根學(xué)派給出了至今大部分教科書仍在沿用的“哥本哈根詮釋”：當(dāng)微觀物體不被觀測(cè)時(shí)，符合薛定諤方程；而被觀測(cè)時(shí)，波函數(shù)將發(fā)生坍縮，而呈現(xiàn)粒子形態(tài)。沒有數(shù)學(xué)方程的奇怪解釋。什么叫做“被觀測(cè)”？老鼠算嗎？藍(lán)藻呢？機(jī)器人呢？什么又是“坍縮”？雖然這個(gè)詮釋看上去不怎么靠譜，但背后的量子機(jī)制是實(shí)打?qū)嵉?。愛因斯坦即使絞盡腦汁，在與玻爾的數(shù)次論戰(zhàn)中也都處于下風(fēng)。

這就是量子世界令人著迷和思考的地方，至今也沒一個(gè)人敢說完全理解了量子力學(xué)。除了愛因斯坦，很多物理學(xué)家也對(duì)哥本哈根詮釋耿耿于懷。1957年，普林斯頓的研究生埃弗雷特提出另外一個(gè)解釋：平行宇宙(或稱多世界詮釋)。量子平行宇宙理論的精髓是：波函數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)坍縮。在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，無論你看不看它，電子確實(shí)通過了所有的路徑(根據(jù)另一位物理大師費(fèi)曼的有趣敘述：它甚至訪問了一趟人馬座，然后再折回來通過雙縫)。為什么你只看到了粒子通過了其中的一條呢？答案自然是：因?yàn)槟阋彩恰安ā卑?！也存在于不同的“位置”啊！在?shù)學(xué)上，這里的位置是“希爾伯特空間”中的位置。其中的一個(gè)你，看到通過某條縫隙的電子(即對(duì)這個(gè)你而言，波函數(shù)看似“坍塌”了)，并且你倆組成了一個(gè)符合邏輯的量子系統(tǒng)；而另外一個(gè)你永遠(yuǎn)無法感知的“你”，和通過另外一條縫隙的電子組成另一個(gè)系統(tǒng)。推廣開去，這就意味著：一個(gè)無窮無盡的量子平行宇宙，無窮多個(gè)分裂，無窮多個(gè)你。

這樣的學(xué)說當(dāng)時(shí)顯得離經(jīng)叛道，埃弗雷特也就被學(xué)術(shù)界選擇性地遺忘了。他窮困潦倒，嗜酒如命，1982年孤獨(dú)死去。直到今天，量子平行宇宙依然充滿爭(zhēng)議。然而，事情正在悄悄轉(zhuǎn)變。在兩次會(huì)議的小型投票中，物理學(xué)家泰格馬克進(jìn)行了非正式調(diào)研[1]。1997年的會(huì)議，相信“哥本哈根詮釋”的物理學(xué)家人數(shù)為13，相信埃弗雷特“平行宇宙詮釋”的人數(shù)為8；2010年的會(huì)議，相信哥本哈根詮釋的人數(shù)為0，平行宇宙詮釋的為16。此外，兩次會(huì)議都有近一半的人選擇了“不確定”。對(duì)筆者個(gè)人而言，在許多年前看到埃弗雷特的多世界詮釋之后，立刻深信不疑；而對(duì)更早了解到的哥本哈根詮釋，則深表懷疑。

最后讓我們?cè)俅位貧w測(cè)量。一個(gè)機(jī)器人或者一個(gè)單細(xì)胞生物，能作為觀測(cè)的主體嗎？會(huì)引起(表觀的)波函數(shù)坍縮嗎？為什么我們從來沒看到過一個(gè)宏觀物體出現(xiàn)在兩個(gè)不同的地方？1970年，德國(guó)物理學(xué)家Zeh發(fā)現(xiàn)了退相干效應(yīng)。退相干指：物體(特別是宏觀物體)與周圍的環(huán)境發(fā)生了信息的交換，而使得自身被這些信息“確定了”。打個(gè)比方，兩個(gè)神出鬼沒的諜報(bào)人員，彼此連姓名、性別、活動(dòng)地、意圖都不知道，對(duì)，就像波一樣模糊；但一旦他們交換情報(bào)，就確定了彼此的信息，形象變得清晰起來。而現(xiàn)實(shí)世界中的信息交換包括被光子照射、被原子接觸、被空氣分子撞擊，甚至是僅僅處于宇宙背景輻射中。因此，觀測(cè)主體是人或者機(jī)器人根本不重要！月亮也不會(huì)因?yàn)橐恢焕鲜罂戳艘谎鄱嬖?！重要的是信息的交換！著名的物理學(xué)家惠勒曾說過：萬物皆比特。這樣看的確如此。

10 更多的宇宙

除了大爆炸宇宙學(xué)的第一層、第二層平行宇宙以及量子力學(xué)的平行宇宙之外，還有許許多多、千奇百怪的宇宙。其中，最大的一個(gè)分支來自弦論。在弦論中， 就有各式各樣的平行宇宙，比如碰撞膜宇宙、景觀宇宙等等。圈量子力學(xué)也有自己的宇宙。此外，還有“數(shù)學(xué)的宇宙”“弦網(wǎng)宇宙”和“計(jì)算機(jī)模擬的宇宙”等。不過這些宇宙與本文前三類宇宙相比，要么理論基礎(chǔ)未被廣泛認(rèn)可，要么在細(xì)節(jié)上有所缺失。更重要的是，這些宇宙距離真正的“測(cè)量”或“觀測(cè)”遙不可及，所以，把一切留給時(shí)間吧！

[1]泰格馬克. 穿越平行宇宙[M]. 杭州: 浙江人民出版社, 2017.