你還在自己的廚房裡。
夜已經很深,很暗,一片安靜。
如果你以前就覺得世界很美,那麼現在你經歷過的旅程顯然帶給它更多的風味。所有一切看上去都更深刻,充滿力量和神秘。
哪怕是你不起眼的廚房。
你身邊的空氣裡充滿了漂浮著的原子,它們沿著地球在時空中引起的曲線下滑。
這些最初形成於早已死亡的恆星核心的原子們。
在你體內,以及任何地方的原子們,正經歷著放射性衰變帶來的崩解。
在你腳下,地板——它的電子們拒絕讓你通過,因此讓你能夠站立、行走、奔跑。
你的行星地球,由人類已知的三種量子場所形成的一團物質,被所謂第四種作用力(雖然實際上它不是力)引力聚在一起,漂浮並穿行在時空之中。
這些聽起來如此離奇,或者就像是徹底的神蹟,你決定再給自己煮杯咖啡,然後你走回起居室,坐進那舒服、堅實,給你安全感的舊沙發裡。
你試圖整理一下頭腦裡亂轉的各種想法。生命的意義是不是隱藏在某個地方,在我們剛才一起看過的世界之外的某個地方?你至今所學到的東西真的對頭嗎?
在你開始探訪比你已經到達的更為遙遠的地方之前,讓我告訴你:揭開世界之謎是一個正在進行中的工作。科學或許還不能回答所有問題,雖然它已經回答了不少。這取決於你的期望是什麼,我可以告訴你一個真相,本書的結局未必比開始更易於理解。如同美國理論物理學家愛德華·威滕(edwardwitten)所說:「在遠離你安逸家園之外的宇宙,並不是為了你的方便而被創造的。」
或許我們應該記住我們一起離開安逸的日常生活,進入黑暗的海洋,因為不管這個論斷多麼謙遜,但它提供給我們每個人完全的自由,讓我們能夠以個人的方式解釋我們所看到的東西。這是一件好事。因為不同的觀點越多,人性就越豐富,科學也越能往前發展。
我在上一章結尾就已提示,在我們充滿信心開啟通往未知世界的大門之前,我們必須先熟悉被科學家們稱為「真空」的那個概念。這是當今理論物理學家們理解量子現實的基礎——這是一個理論模型,它幫助我們作出精確到難以置信的程度的預言,這些預言已被無數次不同實驗反覆檢驗並證實。
在宇宙中隨意選擇一個地方,一個區域,拿走其中所包含的一切。我指的是所有東西。
奇怪的是,剩下的並不是空無一物,雖然你覺得自己已經拿走了裡面的一切。
這合乎邏輯嗎?一點都不。但大自然並不在乎我們人類怎麼想。
現在,請閉起眼睛。
為什麼?
因為我們周圍有些東西是不能承受被看著的,你將要面對的真空就是其中之一。
在我們開始之前,先等一分鐘,放鬆一下,想想那次你從可愛的熱帶小島坐飛機回家的旅程。
你或許記得在飛機起飛不久後你就睡著了。真的,如果你問下那位看上去古里古怪的鄰座,他大概會告訴你在整個飛行的大部分時間裡,你都鼾聲震天。
那麼在你整整八小時的睡眠之中,飛機上到底發生了些什麼呢?你在整個飛行中穿越了幾個時區?的確,如果沒有一個人仔細觀察,那麼任何一架飛機在空中具體飛過的軌跡又有誰知道?
你對這次航程的瞭解只限於你睡著之前和醒來之後。你看向窗外,看到你的飛機從一個遙遠小島上的跑道起飛,看到它安全地降落在你家所在的地方。在兩者之間,你的腦子裡沒有任何飛行軌跡的印象。你完全不知道中間發生了什麼。
現在,要是有人告訴你,你的飛機按照完全不是你想象的路線飛行會怎麼樣?去了木星,比如說。或者像中微子那樣,穿過了地球,或者在時間中來回穿越?我猜你可能很難相信。
但是,不管你是不是在做夢,你的確在第三部分中經歷過這種詭異的軌跡,在八小時時間內飛到了四百年後的地球。所以,我們必須更仔細地看看到底發生了些什麼。
你現在知道如果要讓這個情景真正實現,你的飛機必須以非常快的速度飛行。的確,它得飛入很遠的外太空,接近光速,然後再飛回已經過了四百年的地球。
在現實生活中,你或許能夠找到很多無可辯駁的論據來否定這樣的軌跡,或否定你乘坐的飛機可能有這樣類似詭異的軌跡,但依然如此:如果我告訴你,在你睡著的時候,你乘坐的飛機不僅真的飛入太空並且飛了回來,而且它實際上還同時沿著各種可能或不可能的路徑從你入睡的彼時彼地,又回到了你醒來的此時此地,又會怎麼樣呢?穿過地球,然後回來;繞過木星,回來;所有的路徑,都被飛過。
你大概從此再也不會相信我的鬼話了,對嗎?
很好。
這意味著你已做好準備一探真空了。
你的咖啡、花瓶、你的沙發、你的屋子,都不見了。
你回到了只有意識才能訪問的世界,你幾乎就是個影子:完全透明,只有一點點形狀。你不受周圍一切的影響,也不會影響周圍的一切。
然而,你的周圍到底是什麼,並不完全清楚。
在你看起來,那裡,嗯,什麼都沒有。
只有黑暗,籠罩著一切,延伸到無窮。
你早已對這種劇烈變化的風景見怪不怪,依然漂浮在這看起來就像被掏空了所有一切內容物的宇宙中。
一開始,這幅景象頗讓你平靜,但很快,你不得不承認,你覺得無聊。既然無事可做,你再次想起我剛告訴你的關於在飛機上睡著的事。
一架真正的飛機真的可能完全按照不可預期的方式飛行嗎?對各種可能的路線保持開放的心態是一回事,但真的從地球中心飛過?或在時間裡來回穿梭?別開玩笑了!
是的,你是對的。「別開玩笑了!」是面對如此可笑想法的唯一自然反應。
但你依然應該對此保持開放心態,因為對於飛機來說聽起來瘋狂的事,對於微粒來說可能非常真實。
現在就讓我們拿粒子來思考一下,一顆沒有被任何人觀察著的粒子。你想象一下它從一個地點運動到另一個地點,你只能在起點與終點探測到它。現在,同樣一個問題:如果你不去觀察,這個粒子究竟是沿著什麼軌跡從起點運動到了終點?
顯然這取決於……
但是不對,它並不取決於任何東西。對飛機來說,這個想法可能過於抽象,但對粒子來說,這是真實情況。只要你沒有去觀察,一個粒子就能真的經過你能夠想象的所有途徑,不管這些途徑聽起來合不合理。粒子的運動和行為與你在日常生活中所看到或經歷到的一切都不相同。或許你在遊歷原子的內部結構時已經瞥見了這個秘密,看到了電子和其他粒子並不只是一個球狀的某塊物質。現在我們將接近一個更深層的真相:量子場會給粒子帶來奇怪的效應。
一個粒子屬於量子場意味著它的確分裂成許多它自己的影像,一直都是。所有這些影像所經過的軌跡填滿了空間與時間中的每一點,如果你想偶遇的話,在任何一個時間或地點都有可能見到那個粒子,只是機率大小不同罷了。
更糟糕的是,在物質的粒子或光子被探測到之前,它們無數的自身影像可以再次分裂並變成其他東西,然後再變回它們一開始的自身。就像光子開始變成電子,電子變成光子,在我們沒有觀察的時候,宇宙中所有的粒子都能變成另外的東西。量子微粒是一些難以捉摸的小傢伙:當大自然沒被關注時,一切可能發生的事都發生了。如果你不相信我說的話,請自己看。
你漂浮其中的無邊夜空中有一些事情正在發生:一個白色無門的立方體房間出現在你周圍,很快,你發現自己位於其中,它的牆壁被完美的白色微小探測器蓋滿。幾百萬個。
就在你的正前方,這個無門的房間中間從地板到天花板豎著一根金屬柱子,有你的手臂那麼粗。
房間裡唯一的另一件東西就是一臺黃色的儀器,看上去有點像那種能夠彈射網球的裝置。這個奇怪的小機器人看上去正通過它的發球管注視著你。
顯然替他編寫程式的人很講禮貌,它向你打了個招呼:「你好!」
它沒有嘴巴或眼睛或耳朵或任何器官,但它能說話,嗓音有點沙啞。
「你好。」你回答道,誰知道呢,你打算開始提問。
那機器打斷了你,解釋說它身體裡充滿著蠢蠢欲動的粒子,它將從現在開始,一個接一個地將它們拋向房間的另一邊。
如果你想知道它們是光子還是物質粒子,回答是兩者都有可能——因為你將要看到,物質與光在根本上具有同樣的行為。
顯然機器人已經等不及了,立刻開始倒數:
「三……二……一……」
管子裡出現了一個粒子,一瞬間,房間的另一邊響起一聲鈴響。你好奇地覺得那個機器人很滿意自己的動作。
你向一邊微微側過身去,看到牆上的一個探測器變黑了,位於金屬柱子後面。
第一個問題:「那個粒子是怎麼去往那裡的?」機器人問道。
它那空洞的職業聲調並沒有讓你不快,你站到投球手丟擲微粒的位置,一條直線連線了發球管與變黑的探測器。那條顯然就是粒子軌跡的直線幾乎碰到了金屬柱,還差一點兒。
「這就是軌跡。」你回答,抬起手指指向那粒子唯一可能經過的方向。
「錯!」機器人回答道,簡單直接。
「再說一遍?」你說,頗感意外。
「你的答案不正確,不管你指向的是哪個方向。」機器人說道,你懷疑程式設計者是不是真的考慮了禮貌。
「但只有這條可能的線路!我現在就看著它。」
「如果你依賴感官與直覺,」機器人繼續說道,「那麼你將一直給出錯誤的回答。每個剛進入這間房的人都會犯這個錯誤。量子微粒所遵循的規則與你們日常生活中的不同。對於粒子來說,你的感官和直覺沒有用。忘掉它們。」
不管你覺得它的態度多麼粗暴,這個機器人說得一點不錯。雖然它的外表看上去沒什麼了不起,它卻具有實現本書所述的各種方程式的能力,事實上它是世界上最先進的計算機——就像計算機常常是科學家們真實生活中最好的朋友一樣,它能幫助他們看清自己的理論,我們的機器人超級計算機也將在我們這本書的剩餘部分中給我們提供許多幫助。
它能按照我們人類已知的自然規律模擬任何程式。例如,你現在所在的白色房間,就是這臺計算機的傑作,裡面所發生的一切都遵循著大自然已知的法則。
或許看起來我們的機器人所投出的粒子按照標準直線飛行,但粒子們屬於很小的微觀世界,位於我們的常識之外。計算機說你錯了,因為剛才所發生的事件與你是否看見或是否聰明沒有關係。計算機談論的是大自然,在這點上大自然堅定而清晰:粒子的行為不同於網球,而是量子微粒。從一個地方運動到另一個地方,它們會在時間與空間上經過所有可能的路徑,只要這些路徑出發於起點,終止於終點。因此機器人所發射的粒子的的確確經過了所有地方。同時經過。那根柱子的左邊與右邊,以及從中間穿過。甚至在房間外面,進入未來並回來——直到它擊中牆上的一個探測器為止。
不用擔心,你並不需要理解這些。事實上你是不是理解完全沒有任何影響,自然就是這麼執行的。無人觀察的粒子的確沿著時空所能提供的一切可能路徑運動。房間中央豎著的金屬柱子也不改變任何東西。實際上它豎在那裡的意義只是為了讓你有個參照。拿走它後粒子照樣從它原本所在位置的左邊和右邊穿過。
另一方面,那些在牆上的探測器們,的確造成不同:擊中其中的一個令粒子最終出現在某個地方。
在你身後,那個黃色的粒子發射機器開始振動,變得熱了起來。你猜想它是不是出了故障。似乎看穿了你的想法,它突然又開口說話。
「所有的一切都正常,我在放慢時間。那需要能量。你下一次眨眼的時候,我將投出另一個粒子。你將會看到這個房間會變成什麼樣子,或許你真的能夠見證這個粒子從發球管到對面牆上所有可能經過的途徑。」
還沒來得及細想,你禁不住眨了一下眼,機器人的確開始了又一次倒數。時間的流逝也開始變慢了。
「三……二……一……」
粒子以極慢的速度離開機器人。一開始,它看上去像是一團模糊的雲。
你就站在發球管後面,看著它似乎分裂成無窮多的自身鬼影,實際上成為一種波,一種被它所屬的背景場推動著的波紋,向著空間與時間的各個方向執行,從柱子的左邊與右邊,還有中間穿過,還穿過了房間的牆壁,分裂成你能夠想象到的極限之多的自身影像,真的是這樣,直到突然之間聚集在一起,結束在房間另一邊牆上的一個點上,觸發了另一個探測器。探測器變黑。鈴聲響起,時間回覆到正常速度流逝。
你剛才拜計算機模擬所賜見到的在白色房間中所發生的圖景,就是科學家們相信無人觀察到的粒子的行為。當有人對它們進行觀察時,所有的規則都改變了。當雷達在整個航程中不停地跟蹤飛機時,它就不可能出現在被探測到的地點之外的地方。同樣,當有人試圖探測一個粒子時,就像那些安裝在牆上的探測器所做的,粒子就不再出現在所有地方,而是隻在一個地方。然而,與裡面坐著乘客的飛機不同,在沒有人觀察時,粒子真的到處都在。
從表面上看,這聽起來就像「森林中倒下一棵樹」的問題:如果沒有人聽到,那麼樹發出聲音了嗎?當我們在場時,樹真的倒下了嗎?但我們這裡所談的不是哲學——我們談的是大自然,是包圍並構成我們自己的粒子們的行為。
現在,為什麼粒子——大自然——會在乎有沒有人觀察它?是的,許多科學家也在思索這個問題。這個問題引領著一些科學家做出看似瘋狂的回答,我們將在第六部分中做一下介紹。現在,就讓我們先指出你剛才所見證的現象已經被無數實驗所證實。粒子無處不在,又突然不在那裡了,探測器本身迫使被丟擲的粒子必須擊中房間裡牆上某處的探測器。
「如果你感到迷惑,這是完全正常的,」機器人說道,「我向你展示的就是探測真相會改變自然的活生生例子。」
「再說一遍?」你皺著眉頭,問道。
「真相在你注視它時發生了改變。」機器人又重複了一遍,「如果你感到迷惑,這是完全正常的。」
非常微小的量子世界,看上去是一個由各種可能性構成的混合體。
所有粒子所屬的量子場是這些可能性的總和,然而,當有人試圖找出粒子的真相時,看見粒子就意味著許許多多存在著的可能性中的一個被選了出來,這種選擇就是你探測到它這個行動本身。沒有人知道為什麼會這樣,或者這是如何實現的,但真實的結果就是如此。在你與量子世界相互作用時,多重性變成了單一性。就好像,在別人眼裡,在生命中的某個時間點對於某個話題,你所具有或不具有的所有想法的可能性都存在,直到有人聽到你大聲說出的時候,在此之後那種無限的可能性突然被縮小為一個想法。這就是那間白色房間牆上掛著的探測器所做的事。它們迫使機器人發射的粒子最後落在某個地方,而非一直處在所有地方,剝奪了它們無處不在的特性。
你逐漸意識到這件事可能帶來的後果,不禁汗毛倒豎,雖然你依舊只是一個影子。這是不是就意味著有了合適的探測器,你就能夠創造你自己的真實世界?僅僅通過試圖探測它們,你是否能夠讓粒子——物質本身——以這種而不是那種的方式運動,以此來塑造你自己想要的宇宙?威滕曾經說過宇宙並不是為了你的方便而被創造的,或許他錯了。