宇宙是一架时间机

发布时间：99年08月27日

Marcus Chown 编译何常

时-空中存在环路，未来能够影响过去。物理学家马克 · 哈德利确信：宇宙正是这样工作的。本文作者（科学撰稿人）对他作了专访。

1992年，M · 哈德利（Mark Hadley）处在十字路口。他从事电子工业10多年，具有敏锐的商业感觉，因取得成就而闻名。他的发展纪录是独一无二的，成功鼓舞着他去组建自己的软件公司，前途无量。虽然如此，可另有一些奇怪的问题始终萦回他的脑际。

这些问题同他的公司前景无关。这类问题只有在大学里才值得让人们去思考：什么是电子？什么是光子？到底什么是粒子？“奇怪的是”，哈德利说，“几乎没有哪个物理学家提出这些问题。”

哈德利在1979年获得物理学学位后离开大学，从事电子业。但是财源茂盛并非一切，他头脑中的那些问题总是挥之不去。最后除了放弃他的企业家计划回到大学去，没有别的办法。非常令人吃惊的是，在这之后，哈德利已经发现这些问题的答案，那就是转变头脑里已接受了的科学观念。

有些最大的物理学概念存在于两种理论之中；亚原子世界的量子论和广义相对论，即爱因斯坦的引力理论。在这两种理论中，量子论几乎被普遍认为更具基本的意义。但是哈德利（现在沃里克大学）认为，量子论实在是引力理论的推论。

什么是粒子？

这是一种令人吃惊的主张。因为量子论看起来同任何“经典的”理论，如广义相对论不相容。在量子世界里，原子和电子具有奇异的能力：它们可以同时存在于许多位置。相反，如在广义相对论那样的经典理论中，物体的轨线始终是明晰的、确定的。幻想量子效应来自经典理论，这简直是奇迹。然而哈德利在“粒子是什么做成的”这个问题上应用了他的奇特的新观念，来力求顺利地实现这个谋略。

这个问题有一段历史，它也引起过爱因斯坦的注意。因为广义相对论把引力看作是时-空织物中的一种扭曲，爱因斯坦曾经希望可以把粒子看作是织物中定了位的扭结，可是他始终没有找到证明它的方法。到了60年代，普林斯顿大学的丁 · 惠勒（John Wheeler）和C · 密斯纳（Charles Misner）提出挑战，他们把荷电粒子看作是电场从中通过的“蛀洞”。

蛀洞是连接时-空中远离区域的假设的隧道。如果电场进入并通过一个洞，离开所通过的另一个洞，那么从远处看，一个洞好像电场的“源”，另一个洞则好像电场的“收汇点”，恰恰像荷电粒子。

但哈德利把这种研究推进了一步。爱因斯坦、惠勒和密斯纳都把粒子仅仅看作是空间的拓扑弯曲。即他们考虑的只是一种有限的扭结，谁都不想用时间的扭曲去把事情搞乱；因为因果律要求原因总是先于结果，因此这样一来可能引起大的破坏。然而哈德利研究了全部弯曲。他吸收了广义相对论的精髓：时间和空间混然不可分，提出粒子的确是时-空织物中的扭曲。

1992年他就思考了这条道路，但是当时他的数学水平还难以处理这样的概念。因此在1993年他告别法人团体到沃里克大学攻读数学硕士和博士学位。在理论上，他有过两个学术顾问：一个数学，一个物理。“但是，数学家已拒绝对我进行监督，因为他缺乏专门知识；物理学家则同意监督，直到我认为他已无能为力。”哈德利说。

这个物理学家就是G · 海兰德（G，Hyland）。“你要在科学上取得真正的进步，你必须始终处于危险境地，”海兰德说。“马克（哈德利）采取这一战略，是一次巨大的冒险。”哈德利观念的本质是：亚原子粒子是一种时-空区域，它戏剧性地卷曲起来，以致弯曲回到自身，像一个纽结点。这样一个纽结点必然包含着一个“闭合的时间状曲线”，即时间的环路。哈德利说，这是使广义相对论能够重新产生量子效应的关键要素。

时间隧道

时间的环路（即返回它的起始时间的环路，像空间环路是返回它的起始地点一样）本质上是一架时间机。允许这样的事物存在是广义相对论最令人费解的特征之一。最紧要的是，时间环路使一个粒子能够与另一个粒子相互作用，不仅在它的过去，而且在它的将来。这就改变了一切。

哈德利举桌子上滚动的台球作为例子。球的轨线完全由它的初始速度和方向所决定。然而，如果在它的路径上安放人蛀洞，事情就变样了。蛀洞的作用不但像通过空间的隧道，也像通过时间的隧道。因此别的轨线突然变得可能了。例如，如果蛀洞连接两个袋，那么球就会被它自身所偏折，已经在进入一个袋的球，又从过去的另一个袋里出来。这不是仅有的可能性。哈德利说，“那里有了仅仅一个结果，突然间就会有许多个结果。”

因为没有单个结果，这导致量子世界“模糊不清”。这就是说，不可能同时确定一个粒子（如电子）的精确位置和速率。哈德利认为，基本粒子的性质是由可以到将来去做的测量所确定的。如果那些测量互相是不相容的，粒子的性质就是不确定的。这种情况也说明了何以量子测量能够影响结果，即粒子能够“感觉”到将来要发生什么。

哈德利认为，考虑经典粒子的一种方法是设想有一个盲人将一只球投掷到箱子里去，使球投入箱内仅仅取决于以恰当的速度和方向释放它。球一掷出，移动箱子就不会影响球的轨线。然而设想轻轻摆动一根绳子，沿绳子传播的波形不仅取决于你的这一端发生了什么，还取决于另一端发生了什么。这就是量子粒子出现的情况。

物理学家把这些叫做“边界条件”。哈德利说，对于经典粒子来说，并没有另外一端，一切都是确定的；而对量子粒子来说，存在着另一端：即另一个未知的将来的边界条件，并非一切都是确定的。

这个道理原则上可以解释为什么量子事件绝不是按确定性发生，而是按几率发生的。几率不是基本的，但它存在着，因为有些边界条件是不确定的。哈德利打比方说，它像掷骰子不能预测结果一样，因为初始条件安全不知道。

轻轻摆动绳子的图景也解释了一起产生并在诞生后就分离开来的两个粒子，其中一个仍然“知道”另一个在干什么，这种现象叫做“缠结”。好像某人用同一只手在轻轻摆动两条绳子，然而由于波形取决于绳子另一端所发生的情况，两条绳子的情况都不同，所以它们没有什么共同之点。同样，这样的粒子，其性质是相互关联的，但又不是完全关联的；例如，不足以利用其关联在它们之间传送有用的信号。

另一种考察缠结的方法是，依靠所包含的时间机，亚原子粒子是不受时间约束的。哈德利认为，不能阻止粒子间明显的瞬时相互作用，即使它们是在宇宙相反的两端。举出一种量子现象，他就能用时间环路加以解释。他的图景可以再造量子论的基本“逻辑”，这是一种和通常世界惊人相异的逻辑。

现在你看到它......

假设你从盒子里取球，发现了这样的情况：当你核验球的颜色时，它既是蓝的又是红的；而当你核验球的大小时，它既是大的又是小的。那么你可以有把握地得出结论：你有四种类型的球：小而蓝、小而红、大而蓝、大而红。这是根据被逻辑学家称呼的“分布定律”得出来的。通常的球在同一时刻可以有诸如颜色和大小那样的性质。

有一个与此相当的量子实验。电子有一种性质叫自旋，量子论告诉我们，量子自旋在任何方向上始终是既“上”又“下”的。电子自旋在水平方向上既左又右（相当于蓝和红），在垂直方向上既上又下（相当于大和小）。

实验证实了量子论。一电子连在原子上，递送到一对磁体之间，被反射的电子自旋相对于磁体有两个取向，原子则按两个方向中的一个方向飞走。

然而在量子论里，分布定律不适用，因此你不能得出结论说你有四种类型的电子。与通常物体的颜色和大小不同，你无法在同一时刻测量水平方向和垂直方向的电子自旋。诸边界条件是不扣容的（边界条件是磁体位置所建立的）。哈德利断言，使它们不相容的和损坏分布定律的是：它们的效应泄漏回到过去，以确定电子过去的行为状况。这是为什么量子世界有奇特的逻辑的原因。

哈德利在他的博士论文里提出了他的观点（1997年）。审查人是伦敦皇家学院的引力专家C · 伊谢姆（Chris Isham）。他开始不相信，严格盘问了4个半小时，最终通过了他的论文。南加州大学的物理学家J · 缪来卡（Jonas Mureika）说：“哈德利提供了一个协调经典理论和量子理论的绝妙的数学计谋；这个难题曾经使物理学界一度遭受祸患，它是这个难题的大胆而新奇的解答。它是否正确，我们只能推测。”海兰德说：“我曾经对它有很大的怀疑，但是现在已经成为我的爱好。”

症结

量子论比引力理论更基本，这个广为传播的信仰（与哈德利的主张相反）发生在本世纪初，那时经典电磁理论在讨论原子时遇到了严重的困难。按照经典理论，绕原子作轨道运行的电子应当以光的形式辐射能量，并在刹那间旋入原子核。换句话说，经典理论不应当有原子存在。这一危机只能用量子论来拯救。

正当经典电磁理论在原子问题上遭到失败时，经典广义相对论在黑洞和大爆炸问题上也出现灾难。在这两种场合，理论预示物质的无穷大密度。直到今天，提出来的标准方法一直受到量子论成功的重大影响。“物理学家力图找到一种量子引力理论，”哈德利说。“但是这条路线可能是错误的。”具有讽刺意味的是，哈德利认为，他比那些试图把引力带入量子起伏的人更加保守。“他们也要求一种有关时间的奇异的带有根本性质的新理论，但是他们期望在一种全新的理论中找到它，”他说。而我只是应用标准的广义相对论。”

如果哈德利是正确的，就没有一种像“引力子”（它是媒介引力的假设粒子）这样的东西。因为按照广义相对论，引力波是时-空中平滑的波纹，它的扭曲程度不足以产生扭结。哈德利认为，它在拓扑学上过于简单，以致不能与时间环路联系；而时间环路则是量子粒子的诀窍。

在原理上......

哈德利非常清楚，谁要提出非常的主张，就必须提供非常的证明。他在沃里克大学继续充实他的论证；在原理上，广义相对论能够产生量子论。这里，“在原理上”是非常重要的。他说道；“精确地说，我不能对量子力学提供解释，我已经做的是在原理上证明引力解释是可能的。”

把寻找广义相对论的粒子状解的困难搁在一边，哈德利做了无人做过的事；提出量子论的来源，而且还提出经典物理的来源。有人会感到奇怪；爱因斯坦本来应该想到它的。“他大概喜欢某些理论而讨厌另一些理论，”哈德利说。“例如，他相信因果律，本应为违反因果律而震惊。”还有，爱因斯坦本能地反对广义相对论的另外一些预言，如膨胀宇宙和黑洞。这个事实使哈德利增强信心。