科学家验证平行时空电影《降临》剧照在科幻小说和影视文化里，网友们有一句吐槽非常生动形象：逻辑不通，平行时空；编不下去，量子战衣就像灭霸打一个响指就能毁灭世界，重新loading进程一样，平行时空、量子不确定性，这些令人。
电影《降临》剧照
在科幻小说和影视文化里，网友们有一句吐槽非常生动形象：逻辑不通，平行时空；编不下去，量子战衣。就像灭霸打一个响指就能毁灭世界，重新loading进程一样，平行时空、量子不确定性，这些令人难以捉摸的科幻设定，让科幻故事主角拥有了“超能力”。
可是你知道吗？平时严谨到一丝不苟的科学家们，被科学难题逼到百般无奈之时，也会祭出“平行时空”这样不那么靠谱的设定，希望能解释在前沿科学里困扰科学家们数十年的不解之谜。
近日，据《新科学家》杂志（New Scientist）报道，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儿呢？
什么是镜像平行宇宙
其实，所谓科幻设定，本来就是用来进行科学发现。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。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“θ-τ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。
所以，杨振宁和李政道在1956年10月发表了论文，吴健雄随后给了实验验证，诺贝尔奖委员会立刻在1957年把诺贝尔奖颁给了当时只有35岁的杨振宁和31岁的李政道。
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，把它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。可量子世界的规律恰恰如此，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。那就……随他去吧。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。
电影《星际穿越》剧照
中子衰变难题40年，逼出了“镜像平行宇宙实验”
报道中的主角利娅•布鲁萨尔（Leah Broussard）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。它有一种奇特的性质，在原子核里它性质很稳定，可以长期存在，虽然有时候也不老实，会发生衰变，从中子变成质子，顺便扔出来一个电子和一个中微子（让杨、李替华人拿到第一个诺贝尔奖的，就是这样一种核衰变）。
可如果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，过一定时间后在数一数剩余的数量；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。
无论是原子弹诞生地的科学家，还是其他国家的科学家们，无数次重复这两类实验，差异总是存在——不是哪个科学家粗心弄错了，或者是实验仪器的问题。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导致这种结果不一致——无论是牛顿还是爱因斯坦都向我们拍着胸脯保证过，无论是安静的、还是奔跑的粒子，它们的规律应该是一样的啊。
就像在科幻故事里那样，面对在我们这个世界，按照严谨的科学逻辑打死都无法圆上的“情节”，橡树岭国家实验室的利娅•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。（这个猜想，是在2012年一篇论文里提到的。）
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，有些中子无须陷在墙里，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，科学家们的想法是在墙后面设置探测装置，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可以获得一致结果了。
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，何时开展还需要等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，但这是一次简单且并不昂贵的实验，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。”
听听，取得成功的“可能性很小”，那么为什么还要做这些实验呢？因为“简单且并不昂贵”。也就是说，因为中子物理学家们对这个问题已经探索了40年，结果绝望地发现，其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了科学家们的视野。又因为成本实在便宜，这样脑洞大开的设想才可能被付诸实施。
也就是说，它可能是一次改变科学进程的伟大实验，但概率实在太小，更可能是若干年后我们开科学家们的玩笑才会想起来的趣闻而已。
如何理解科学家检验“科幻设定”
爱因斯坦在他的科普著作《物理学的进化》里，曾把科学研究比作一个侦探在破案。但是，跟一般侦探小说不一样的是，科学家们不可能先翻到结尾去看最后答案。在破案过程当中，没有任何人能够事先知道最终答案是什么，什么时候才会出现。甚至更为尴尬的是，像霍金这样的科学家还认为，我们未必能够有最终答案。
然而，在一个所有人都束手无策的科学难题上，科学家们不会拒绝任何的可能性，哪怕是“镜像平行时空”这样连设计者都未必真正相信的解释。但是，科学家们也不会停留在科幻设想上，要想承认或者否定（证实或者证伪），就必须寻找能够说明问题的实验证据。
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，就是他的成本非常低，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来的任何可能的结果：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，就是这个实验并没有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有魅力的地方。对于很多世界著名的大科学装置——比如，欧洲核子中心的大型强子对撞机，一些科学评论写道，如果它能够按照理论预期，做出一些科学发现，我们可以欢呼，这是现代物理学的伟大胜利。
但是，科学家们内心深处，可能更期待它们给出不一样的结果。这会让科学家们更为兴奋，因为这意味着实验指出了现在的科学物理模型存在的问题和缺陷，迫使物理学家们超越它，在更深层次上对现代物理进行革命。
但是，未来的答案究竟在什么方向？连最前沿的物理学家们也并不知道，所以人人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，提出最好比较成本比较低的检验方案。我们也必须承认，最终答案在哪里，我们依然不知道。也可能在多少年之后，人们回过头来看历史，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）
编辑 李冰冰 校对 李立军
