正电子|假如宇宙中有且只有一个电子
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克里斯托弗·诺兰的新片《信条》最近刷了屏 。 诺兰对“时空”的概念非常着迷 ， 在多重梦境和五维空间后 ， 诺兰开启了“逆转时空”的尝试 。 但不得不说 ， 即使是最颠覆的大片故事 ， 也远远比不上物理学家那些“最疯狂的脑洞” 。 电影中的主角也提到了一个物理学中“时间逆转”的故事 。
早在几十年前 ， 在一通看似平常的电话中 ， 两位顶尖的物理学家已经在大脑中“颠覆”了时空 。
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时间回到1940年 。 一天 ， 理查德·费曼正在普林斯顿研究生院休息 。 他突然接到了约翰·惠勒教授的一个电话 。 惠勒在电话里说：“费曼 ， 我知道为什么所有电子都有一样的电荷和质量了 。 ”
惠勒提到的这个问题 ， 是量子世界中最具代表性的奇怪问题之一 。 从某种角度上来说 ， 电子非常奇特——每一个电子都是一样的 ， 所有电子都具有相同的质量 ， 相同的电荷数 ， 相同的自旋 ， 相同的……换句话说 ， 我们不仅无法根据电子的物理性质来区分它们 ， 而且是根本没有办法区分它们 。
如果想要根据电子的位置来确定特定的某个电子 ， 需要精确测量其轨迹 ， 而量子力学定律又“禁止”我们这么做 。 在两次测量之间 ， 量子世界中的电子是概率性的 ， 它们由波函数定义 ， 波函数给出了在任一给定位置找到电子的几率 。 当多个电子的波函数重叠时 ， 我们就不可能确定最初测量到的究竟是哪一个电子 。
量子理论很好地解释了电子的这些行为 ， 但它却没有回答一个更深层次的“为什么”的问题 ， 那就是 ， 为什么所有电子都是一样的？它们确实是一样的 ， 但科学家却没有找到什么实际的理由来说明它们为何应当如此 。 许多人认为 ， 无法区分的粒子就是无法区分的 ， 因为宇宙就是如此 ， 没有进一步的解释 。
但惠勒不属于这类人 。 惠勒表面看起来少言寡语 ， 他总是举止慎重 ， 表现得很有礼貌 。 尤其和他最出色的学生之一费曼相比 ， 许多人显然会认为费曼才是更加“不守规矩”的那一位 。 但实际上 ， 惠勒的科学生涯甚至更偏离“主流” ， 在他循规蹈矩的外表之下 ， 隐藏着一颗不走寻常路的心 。 物理学家保罗·哈尔彭曾做过一个类比 ， 他认为惠勒和费曼刚好能形成完美的互补 。 惠勒喜欢感知性的哲学思考 ， 经常产生独一无二的想法 ， 就像“科学界的达·芬奇” ， 可以设计出巧妙的框架（但常常停留在草图阶段） 。 而费曼则精于计算 ， 他像米开朗琪罗一样 ， 是位出色的“科学雕塑家” ， 能亲手创作出令人叹为观止的作品 。
显然 ， 在那通电话里 ， 惠勒又冒出了一个“离经叛道”的疯狂想法 。
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惠勒试图解释为什么所有电子都是一样的 。 他猜想 ， 这是因为整个宇宙中其实只有一个电子 。 惠勒在电话中解释道：“假设世界线（world line ， 即粒子在时空中的一种‘轨迹’）不仅仅是在时间上行进 ， 而是一个巨大的结 。 当我们沿着某个时间对应的平面切穿这个结 ， 我们会看到许多许多世界线 ， 它们代表了许多电子 。 如果有一条普通电子的时间线 ， 而在其中的某一段上 ， 电子在这里发生了逆转 ， 从未来回到了过去 ， 那么对于正确的时间和正确的四维速度来说 ， 我们就得到了错误的符号 ， 这就相当于改变了电荷的符号 ， 因此 ， 路径的那部分也就像一个正电子一样作用 。 ”
简单来说 ， 惠勒想象这是一个“单电子宇宙” ， 在电子的这场时空冒险中 ， 唯一的粒子就是独一无二的主角 。 我们之所以认为世界上有很多电子 ， 是因为我们只能看到某个时刻的场景 ， 它是整个现实的一个剖面 。 在我们看到的这个场景中 ， 同一个电子以不同“分身”出现 ， 这些“分身”甚至可能相互作用 。 而在数学上 ， 根据狄拉克方程 ， 一个带负电的电子向过去运动 ， 就相当于一个带正电的正电子向未来运动 。
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【正电子|假如宇宙中有且只有一个电子】惠勒触及到了粒子物理学中很基本也是很奇怪的一点 ， 那就是时间的流逝方向似乎并不重要 。 而结果就是 ， 通过一些“简单”的方程 ， 他就可以将一个在时间上后退的粒子转换成一个前进的粒子 ， 而唯一可以观察到的变化就是粒子电荷的翻转 ， 也就是电子变成了正电子 。
当然 ， 这种说法也有一些问题 。 费曼很快意识到 ， 这无法解释电子和正电子在数量上的巨大差异 。 假如真如惠勒所说 ， 电子和正电子应该数量相当 ， 但事实截然相反 。 对此 ， 惠勒的回答是 ， 他觉得也许大多正电子都嵌在了质子或者其他什么东西里面 。
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