第17章 光的极限
我就算困在果核之中,也能自命为坐拥无限空间的君王,如果这不是我在做噩梦的话。
——莎士比亚(William Shakespeare),《哈姆雷特》(Hamlet),约1600
有了快,接着有了无限。
很多东西都很快。我们周遭的原子全都每秒振动数兆次。光纤缆线中的光子真的是一眨眼就绕完地球一圈。远处星系疾奔,每秒远离我们24万千米。
无限快完全是另一回事。这个意思是,某物从最远处的星系出发,就在你读到这一句的这个点上的此刻,它已经到了曼彻斯特。我们一向认为这种超光速的速度是不可能的,我们错了。
要探索无限性,得先快速一窥那围绕着光速、引人入胜的领域。
很多人在上学之后,光速似乎成了绝对的限制。
1905年,爱因斯坦阐释一项二十多年前由洛伦兹和爱尔兰物理学家费兹杰罗(George FitzGerald,1851—1901)所进行的超乎常识的观测。他们两人已经了解光以恒定速度行进,也明白这有多么了不起。 [1]这意味着,一架接近中的喷射机落地灯所发出的光子,以光那坚定不移、每秒299,792.458千米的速度击中你,仿佛飞机完全没在移动一般。打从一开始,光就是独一无二且与直观不合的。
不只如此,爱因斯坦还证明有重量的物体绝不可能真正达到光速。假设有一枚动力超强的火箭,当你坐在里面进行加速,你的质量随之增加。你好像变魔术一般,越来越重。当速度仅低于光速一点点时,即使一开始轻于鸿毛的物体也会重逾整个宇宙。要给这东西增加最后一点点速度,所需的能量将会是无限大。因此,你绝不可能达到那个速度。
爱因斯坦在1905年和1915年提出他的两套相对论之后,光在真空中的主权就再也不曾受到象样的挑战。不过,在量子力学崛起的1920年代,怪异的例外说法开始出现。
这是一个奇妙国度,那儿的物体要被观察到才会存在。主要有两种理论竞相要让这个说法在逻辑上说得通。第一种是关于量子现象的“多重世界”阐释。这种理论主张,生命中的每一次选择都创造出一个分隔宇宙(separate universe),这个宇宙便由此发展下去。当另一种可能行动出现的那一刻,不管是什么样的行动——即使是看到一片落叶掉在离你不到2.5厘米之处——宇宙分生出两种分隔真实以包含两种结果。
如果你测量一颗电子,你就已经刻意或非刻意地迫使这颗电子以特定属性,如上旋或下旋,出现在特定位置。或是用更精确的说法,你突然间加入了该电子以你所观察到之状态存在的那个宇宙。但不同的你依然存在、居住在分隔宇宙中,而你在这些宇宙中各自观察该电子处于当时有可能的其他各个位置或状态。
按照这种推论,某个另一种版本的你,真的带着你秘密交往的对象去参加学校毕业舞会。不幸的是,你的某个分身当晚很白痴(记住,有可能发生的,就真的发生了),你的约会对象从此再也不跟那个版本的你讲话。
大多数的理论科学家和科学界专业人士对这些同步真实并非照单全收。大多数人倒是比较偏好哥本哈根诠释(Copenhageninterpretation)。哥本哈根诠释排除多重真实说,但却说宇宙充满了微粒与片光,这些微粒与片光直至被观察到才有确定的存在、位置或运动。只有到那时,它们的波函数才坍缩,也只有到那时,它们才具体成形于依统计所定的位置,并且从那一刻起开心地在那儿继续存在下去。
爱因斯坦一点都不喜欢这个说法。1935年,他与两位同事俄裔美籍物理学家波多尔斯基(Boris Podolsky,1896—1966)及以色列物理学家罗森(Nathan Rosen,1909—1995)一起写了一篇著名的论文(罗森与爱因斯坦共同提出爱因斯坦——罗森桥,也就是虫洞假说),文中基本上就是在批评量子理论的基础不完备,因而有严重缺陷,并指出量子理论有一种即使依量子标准都显得怪异的方面。他们所思考的是一起制造出来、也就是“缠结”的粒子所发生的情形。按照量子思想,当时这对粒子共享一个波函数,而且两个物体各自知道另一个物体正在做什么。如果其中一个被观察到,迫使其失去其模糊、概率式的波函数状态,并坍缩成具有“向上”自旋的电子,其孪生体——无论当时它在宇宙何处——知道自己的分身做了什么,这导致孪生体自己的波函数坍缩。它立即变成具有互补性质的粒子,在这个例子里是“向下”的自旋。
制造这种缠结配对的方法很简单,就是把激光打进偏硼酸钡或其他特定晶体中。两个光子突然出现,各带初始能量之半(2倍波长),所以没有能量的净流入或净流出。接着,这两个光子以光速跑掉,可能跑上数十亿年,维持着看似独立的寿命。同样的过程也发生于电子,甚至是整个原子、成团的物质。但我们让这双人组其中一个成员坍缩成特定状态,其孪生体知道有这件事发生,而且立即比照办理。
爱因斯坦、波多尔斯基和罗森主张,这类表面上的平行行为必定可归因于局域效应,也就是实验因素波及,而非某种“鬼魅般的超距作用”,他们这么称呼量子理论的这个面向。这篇论文远近驰名,这种同步化的量子诡异行为因而借用了这几位物理学家的姓氏前缀,以EPR关联(EPR correlations)之称为人所知。而“鬼魅般的超距作用”这句话就成了带有贬义的标准说法,用以描述这类惊世骇俗又愚蠢的信念——这是对真正实时行为的挖苦奚落。在物理学教室里,这句话以轻蔑的口吻复诵了几十年。
但近年来的实验证明爱因斯坦错了。1997年,日内瓦研究人员、瑞士物理学家吉辛(Nicolas Gisin,1952—)(吉辛为量子信息科技奠基者)制造出一对对缠结光子,使它沿着光纤分头飞离。当其中一个光子撞上研究人员的镜子,被迫往某个方向跑,11千米外的缠结孪生体每次都立即产生一致反应,并在撞上自己的镜子时做了相反、互补的选择。
关键词是“实时”。孪生体的反应并未出现光穿越那11千米以传递讯息会有的时间延迟,反应发生快了至少1万倍,而这只是实验测试能力的极限。量子力学告诉我们,回声般的行为真的是完全同步。量子理论的确预测缠结粒子知道孪生体正在做什么,而且实时模仿其行为,即便这对粒子分别处在相隔数十亿光年的不同星系。
这太诡异且所蕴含的意义太大,驱使某些物理学家急得拼命找漏洞。有的主张吉辛的测试仪器有偏差,倾向于只侦测那些表现出预期中孪生体互补性质的粒子。到了2001年,美国国家标准与技术研究院的研究员瓦恩兰(David Wineland,1944—,2012年诺贝尔物理学奖共同得主)把这些批评一笔勾销。
瓦恩兰运用铍离子和效能非常高的侦测器,观察到数量大得足以盖棺论定的事件。所以,这种梦幻般的行为是事实。这是真的。但一个实质物体如何能实时指令相隔遥远的另一个物体一定得如何行动或存在?没几个物理学家想到原因在于某种先前未曾想象过的交互作用或力量。我想尽办法要弄明白,于是问瓦恩兰他相信哪一种说法,而他说出了越来越多人接受的结论。
“真的有某种鬼魅般的超距作用。”
当然,我们俩都知道这话说了等于没说。
所以,粒子和光子——物质与能量——看起来是实时传送知识横跨了整个宇宙。光的行进时间不再是极限。
有些物理学家说,这并不违背相对论,因为我们无法利用这一点把信息传送得比光还快,粒子行为的“传送”受概率左右,不是我们所能控制。而且,没有任何具质量之物踏上这趟旅程。事实上,也没有任何无重量之物,甚至是光子,踏上这趟无限快速的旅程。不过,有某种东西实时传送了出去。
科学上的含意(更别提哲学和形而上学的)很惊人。这么说好了,当初在大爆炸后不久,你身上某些原子与其他粒子以缠结的方式形成。从那时起,两者分道扬镳,如今相隔数十亿光年。你的原子组成你的大脑片段,物理位置是在伊利诺伊州的皮奥利亚(Peoria),另外那些粒子成了毕宿五星系某行星上外星人的一部分。
就在此刻,那边的某个生物正在实验室里观察你的孪生原子。这下好了,这些原子坍缩而展现特定的性质。就在当下,没有任何迟延,你自己的大脑原子知道50亿光年外发生了这件事,然后,它们也坍缩成互补物体。这个效应突然发生,改变你的思想过程,然后你做了明快的决定。你穿着一件令人尴尬的圆点花纹燕尾服,出现在你老板的宴会上。你说不清为什么有这么古怪的举动,但你的人生毁了。
这听起来像科幻小说,但EPR关联是真的。
首先,这意味着从某个根本的角度来看,整个宇宙是一体的。这意味着此地和远处之间没有秘密,无论相隔多远——而且信息“交流”是以无限快的速度同步发生。
这意味着爱因斯坦在局域性这一点错得离谱。
任何关于运动的探索,局域性都很重要。说到底,所谓运动的意思,就是有东西被其他物体或力量,如风、水和重力,给挤、推、撞。这是爱因斯坦所相信的——物体只受其毗连周遭所影响。这就叫作局域性原理。
有一种增补原理叫作局域实在论(local realism),意思是:所有物体都具有独立于任何测量之外的实在性质。一颗原子,或是月球,是真的在“那儿”的某个位置上,而且进行着一定的运动,不论是否有人正在观察它。我们的工作就是找出方法认识此物并测量其特性,如果我们有这打算的话。
与此相较,量子理论不接受局域性。量子理论坚持原子会受到与其全无接触且分属宇宙两端的事件所影响(像是缠结孪生体的波函数坍缩),而且这样的影响是实时发生。不需要“载体粒子”把讯息从甲地带到乙地,或让甲地的影响在乙地实现,且该影响也不受限于某种速度,即便是光速。反而是眼睛还没眨一下,这影响就从遥远的国度跳了过来。
至于局域实在论,也被量子理论抛诸脑后。广受欢迎的哥本哈根诠释坚称,整个宇宙是由无数像电子这种并无固有位置的粒子所组成,这些粒子也没有任何运动。实际上,它们甚至不具有任何形式的真正存在,而是以潜在性的一种模糊概率的状态存在,其动向可透过统计解读。一旦加以观察,它们就根据概率法则具体成形。
爱因斯坦确实厌恶这种理论。这意味着除非被观察到,否则没有任何东西存在或移动,也意味着没有人能够确认个别物体的实际行为——我们只能以统计的方式把它们说成是一个群组,并评估它们在此而非在彼、运动方式如此而非如彼的可能性。就是这一点,使得爱因斯坦说出他的反量子名言:“上帝不掷骰子。”
如果我们配置好仪器,让我们侦测到粒子的位置,这个物体会很配合地在特定地点具体成形。但它还是没有特定的运动。但如果反过来,我们建造一套可以侦测运动的装置,恰如其分地观测到该物在运动,然而它在给定时刻的位置还是模糊且难以定义。我们无法精确地看到它的位置及它的运动。
一开始,科学家认为,这一定是我们自己在科技上还有某个地方不成熟的结果——如果我们的设备变好了,应该就能确认运动及位置,一如我们处理土星之类大型物体的方式。最后我们才明白,问题比这还要深层得多。构成宇宙万物的微小物体并非每个都具有位置或运动。而且,只因为我们的观测动作,方使其一得以存在。
大型的巨观物体确实看似居于特定位置,而且有运动,这是因为它们是由多到无法计数的微小物体所组成,一个个微小物体的概率多到令人不知怎么处理,在我们正在观测的点上积聚而产生统计上的确定性。
那样的统计还是难以掌控。虽然物体通常都出现在最有可能的地方,但它们在统计上永远有一丝机会表现出怪异的行为,也就是它们会在远离预期之处具体成形。
想象有一条刚铺好的道路,拿碎石当作临时的新铺面。路过车辆使得每颗新石子跳上空中、落地某处,石头蹦向路边、跳向路中央的机会各一半。随机往路边跳的石头现在有一半的机会被下一辆车喷得往路边飞更远。久而久之,所有概率都出现过,路上的碎石全都清空。所有的碎石现在全都跑出路边——因为一旦有石头被移出路面,对那颗石头而言,游戏结束,不会再动了。等通过的轮胎够多,就连那些违抗概率、循着可能性很低的路径一直朝路中央跳回去的卵石,最终还是让步而连续朝路边跳去。证据明摆着:道路通车后仅仅两星期,没有半颗碎石留下来。只要时间够,统计上有可能的事件全都会发生,即使可能性很低的也一样。
但请仔细看一下。这里有一颗不知是怎么巴上卡车轮胎边边的石头,被旁边一颗石头以一种非常不可能的方式给刮了,喷到几百英尺外某人的喂鸟器里头。这样一个别事件大概没有被预测到。可能性极低,但就是有可能。而且只要时间够,涉入物体也够多,所有可能性,无论多么微乎其微,都会发生。
按照量子理论的哥本哈根诠释,你家冰箱里的牛奶桶所含粒子的位置模糊且呈概率式分布。构成牛奶桶的原子数目比路上的碎石多得多(3.8升装的牛奶桶含有多少原子,地球大气层就有几口空气,两者数量相同)。你下次打开冰箱时,极有可能牛奶桶的所有原子都在,而且桶就摆在你前一晚放的位置。即使有一颗原子出现在别的地方,也不会影响桶存在于你记忆中所摆放的同一层架子上。但有可能,不是不可能哦,所有原子全都出现在统计上最不可能的位置。果真如此,桶便会消失不见,说不定会突然出现在缅甸的一间卧房里。
这些粒子全都以统计上如此不可能的方式一致行动,这个概率小到即使在地球五十亿年的生物寿命中——从第一批细菌到最终大灭绝——都不太可能发生。但重点在于:有可能发生。如果真的发生了,我们看到的是显而易见的奇迹。在那个时候,我们观察到的是没有任何显见起因的运动。
所以,真有这种疯狂的事。观察者和宇宙合而为一。不可能发生却偶然发生的运动,到头来并非不可能。由于量子力学运动及本书所讨论的运动大多与随机性活动有关,或许值得我们花点时间来检视随机性的效力和局限。常见的老掉牙的例子是猴子与打字机。你大概有听过:100万只猴子打字打了100万年,到最后光凭随机概率就会生出莎士比亚的作品来。真的吗?
2003年,英国一所大学的研究小组把一堆打字机放在动物园围栏里的六只猕猴前面摆了一个月,看看会发生什么事。动物们根本打不出东西来。它们倒是把食物和尘土塞进按键里,还把几台机器扔到地上,拿来当夜壶用,这些打字机很快就不堪使用。它们根本什么名言佳句也没生出来。
然而,在公众对自然运动的“观感”中,随机动作和概率理论依然是一个重要的部分。“机会”是亚里士多德等人所密切关注的运动一个关键的面向。据说一旦让它长时期自由运作,效力巨大。
所以,说真格的,100万只勤奋、心思细腻的猴子在100万具键盘前坐上100万年,真的能够如所声称那般创作出伟大的文学作品吗?不管相不相信,这种问题百分之百可以有解。键盘上有很多地方可按,即使最旧型的打字机也有58个按键,而最现代的键盘有105个左右。说到随机事件,那就来思考《白鲸记》开场句的创作难度,其字母加上空格为数仅仅15:Call me Ishmael(叫我伊实梅尔)。这需要随机尝试多少次?
假定有58种可能的按键,有望成功之前所需尝试次数应为58自乘15次,也就是3兆兆。(原文此处数字有误,应为283兆兆。)100万只从不睡觉的猴子,每只猴子每分钟打60个字且零错误(所以按15个按键只需要4秒),其中一只最后的确会打出“Call me Ishmael”。
但难就难在这得花上38兆年。(原文此处数字有误,应为239万兆年。)也是宇宙寿命的3000倍。(原文此处数字有误,应为2亿倍。)所以,100万只打字很猛的猴子,连一本书的短短一个开场句都无法重现。重点:随机性获致成果的效力远比一般想象弱得多。
另一种超光速的超快现象也有可能存在。这一种与哥本哈根无关。理论上,如果大爆炸创造出可观测宇宙,可能同时也创造出迅子(tachyon)——比光快的粒子——的宇宙。至少这在数学和物理学上是可成立的。那是因为尽管没有任何具质量之物能达到光速,但这有一项重要的例外条款。也就是速度的极限只适用于加速物体——一开始比光慢的物体。对于这些物体而言,要达到每秒299,792.458千米是一项无望的任务。
但要是在宇宙诞生之初,有一种类型的物体一开始起跑就比光快呢?这些迅子——1967年才造出这个名称——得到了科学的认可。对这些迅子来说,光速障碍还是有的,但它们是被困在另一边。它们完全没办法比光速慢!
变慢所耗费的能量和变快一样多。所以,据推测,当迅子试图减速成光速时,会变得越来越重,而且使得它们的时间逐渐扭曲。
和我们一样,它们绝不可能跨越那项障碍。我们绝不可能看到彼此,因为光子绝不会从它们那边跑到我们这边,反之亦然。因此,对迅子的任何搜寻都像是在捕猎看不到的东西。
之所以提到这种种,纯粹是因为运动研究应该把最快速的可感知物体纳入考虑。理论上,我们应该能够侦测到迅子的效应,它们应该会影响宇宙射线射丛〔cosmic ray shower,又被称为空气簇射(airshower)〕,而且当它们失去能量时,应该会射出可侦测的蓝光切连科夫辐射(Cherenkov radiation)。就算有物理学家相信迅子存在,也为数不多,即便迅子仍是科幻界大咖。
所以,我们应该可以把迅子从运动物体列表上划掉。看来是没有办法打破光子障碍了。快过光速,出局。
得到认可的,只有无限。
[1] 其实,费兹杰罗不会相信光始终恒定,无论我们是朝向或远离光源而运动。他认定观测者及其测量工具的长度沿着行进方向被挤压,以至于光只是看起来恒定。他认为,高速引起了实验的扭曲。
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