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随着正电子被发现,大家明白了狄拉克方程中藏着另一半物质世界。
正是由于这位勤奋好学、害羞寡言的年轻人,人们才忽然意识到每一种粒子都对应质量相等、电荷相反的另一种粒子,也就是我们今天所说的反粒子。
那个优美的方程让我们发现了一个完全未知的世界,之前,没有人曾料到它的存在。
随着反物质的出现,在基本粒子的微观世界中时间是否可逆的问题再次被提起。
方程的对称性导致在时间中前进的物质粒子等价于在时间中后退的反物质粒子。
换句话说,让一个电子出现在空间的某一点等价于让一个正电子在这一点消失。
由于有了反物质,我们可以用能量从真空中拉出成对的粒子与反粒子,而且这个过程在时间上是可逆的:正反粒子接触后就会湮灭,只剩爆发出的能量。
认为在基本粒子的世界中时间可逆的想法由来已久,大家都觉得这是最简单直接的解。
而且在基本粒子碰撞理论中,这在形式上也成立,时间可以常规向前,也可以逆转向后。
比如,碰撞产生两个相互作用的粒子,以略偏离的轨迹飞出去。
时间逆转后,它们的行为依然符合物理规律。
这时,人们会看到两个粒子反方向运动,碰撞在一起后变成原来的状态。
二者速率一样,只是方向相反。
这一切看起来完全就是把碰撞倒放一遍。
基本粒子的微观世界似乎就像卢米埃尔兄弟广受欢迎的电影一样,正放倒放都可以。
事情其实要复杂得多。
当我们在某些衰变过程中进行时间和电荷反转实验时,就会发现与最初的完全对称性假设相矛盾的效果。
就连在基本粒子的物理学规则下也无法做到时间反转对称。
即使在那个奇怪的世界里,也要分过去和未来,仅靠把时间逆转过来获得完美对称的过程是不够的。
研究无穷小世界中的时间逆转十分复杂,因为要寻找非常微小的偏离,而这些稍纵即逝的现象往往极为罕见。
关于这方面的研究还有一则逸事,我未能考证真假,不过我是从罗马市郊弗拉斯卡蒂的意大利国家核物理研究所实验室听来的。
来自维也纳的天才物理学家布鲁诺·陶舍克自20世纪50年代起就在意大利开展研究活动,正是他于1960年提议建设“累积环”
(Anellodiace,缩写为ADA),这是世界上第一台在同一磁场轨道上同时有正负电子的加速器。
它让粒子及其反粒子在同一轨道上相向回旋,碰撞湮灭时放出的能量全部用以产生新粒子。
该机器成功运行,陶舍克的天才主意为现代粒子加速器铺平了道路。
他的研究生涯因他英年早逝而不幸终止。
很长一段时间,他都在研究那些似乎能打破时间反转对称的罕见过程。
某一天,他在去往实验室的路上发生了车祸,就在弗拉斯卡蒂南边一点儿的图斯科洛山的弯道上。
他被送到了最近医院的急诊室,医生按常规向他提问,以确保他能正常作答,从而排除他遭受脑部损伤或其他让人不清醒的外伤的可能。
当医生问陶舍克做什么工作、目前在忙什么时,他一本正经地回答:“我是搞物理的,现在正在研究逆转时间。”
医生听了之后马上说:“严重脑外伤,紧急住院!”
对称的圣杯
只是提了一下逆转时间就让弗拉斯卡蒂的那位医生担心起来,这也可以理解。
在我们日常生活的复杂物质世界中,过去和未来有着明显的区别。
从桌子上掉下的玻璃杯碰到地面时,就会碎成许多块,如果有人用手机拍下这一场景并将其倒放,那我们立刻就能看出来他们编辑了视频,并颠倒了顺序,因为我们看到的碎片从地上跳到桌子上,重新组成完好无损的杯子,是我们在真实世界中从未见过的。
基本粒子只有几种相互作用,这么简单的东西组成的世界也许可以更加有序和对称,也许其中的时间也可以摆脱永远只能向前的宿命,也许会有完美对称的反应和衰变。
要确定这些情况,唯有验证一下,看看自然界是否存在一种普遍成立的强大对称。
最常见的对称是镜面对称,每天早上我们照着镜子刷牙或梳头时都能看到,熟悉的模样让我们一眼就能认出是自己,所有细节都很像,只有一点不一样:镜子里的右手对应我们的左手,左手对应我们的右手,这一点在我们用梳子梳头或用剃须刀刮胡子时就会发现。
这是镜面对称的伎俩,它们是通过反射而左右对称。
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