理查德·费曼(Richard Feynman)是20世纪最伟大的理论物理学家之一,他最著名的成就是他的费曼图。图中描述了粒子在空间和时间中的旅程,以及它们是如何通过吸收和发射辐射(比如光子)来相互作用的。从更高的角度上来看,费曼图本身还对高深的数学部分进行了编码,使得物理学家可以通过计算,得到这些物质的基本组分的行为模式。费曼年轻时服务于曼哈顿计划——这个计划在第二次世界大战期间负责研发原子弹。残酷的第二次世界大战将整个欧洲变成了一片废墟,但在中立的瑞士,恩斯特·斯达克伯格(Ernst Stueckelberg)也绘制了一幅类似的图表,但是与费曼之后提出并独立完成的图表相比,这个图表的应用范围比较有限。斯达克伯格图的含义之一就是:一个反粒子可以看成是一个粒子在时间中逆行。
斯达克伯格将他的这个想法发表在1941年的一份瑞士期刊上,这个期刊在当时很难被国际社会注意到。8年之后,费曼产生了类似的想法,而正是通过这个关键性的想法,他才得以用一种前所未有的方式来描述粒子和原子的物理行为模式。费曼图极其重要,因此成为今天相关专业学生和物理计算的基本技能。但是斯达克伯格总是认为自己没有得到应有的荣誉。当被问及为何当年不把文章发表在国际期刊上——比如著名的美国期刊《物理学评论》(Physical Review ),他声称是因为当时处于战争之中,找不到一个能把图画出来的画家。这很难令人信服,毕竟这个图只是一些用波浪线相连的直线而已。不过无论如何,看起来斯达克伯格才是提出反粒子可以看成时间逆行粒子这个观点的第一人。
这就引起了很多关于反物质的神奇想象,比如,我们看到一个正电子,会感觉它是来自于未来的电子。人们经常说时间不等人,当然时光无法倒流。把这个理论用到反物质世界中,就会变成:反物质世界正在向着现在的我们前进,从未来的角度看当前是不可知的,而且反外星人随着每一反天而返老还童。显然我们还无法看到它们。要了解反物质和相对物质的时间反转,我们首先需要理解物理学基本定律与时间的关系,以及我们对时间的感知来自于哪里。
对于实体物质,包括生物,时间是一种幻觉,牵扯有施加在大量的原子上的概率论。比如鲜花凋零、美颜老去、鸡蛋破碎而不会自发恢复完好,通常当感觉到有序变为无序时就会直观地觉得时间流逝了。但一旦从物理学的基本定律来看,这个概念就远不够清晰明了了。
无论是行星还是台球,所有尺寸下的运动都遵循牛顿运动定律;无论在过去还是将来,这都没什么两样。如果我们能将时间倒带,会看到行星在轨道上绕着太阳逆行回到过去,而这个景象完全等同于在镜子中看通常的行星运行。如果我们能同时完成以上两个过程,即镜像观察和倒转时间,我们看到的将会是完全相同的现实情况。当同时施加“P ”(表示平等或者镜像对称)和“T ”(表示时间倒转)时,牛顿运动定律不变。
虽然这些基本的定律方程并不关心你的时钟是朝哪个方向转动的, 但毫无疑问,时间有一个明确的方向。单独的一些原子可能不在乎时间矢量,但是它们之间的相互作用使它们四处移动,使得一个原子集群趋向于变得无序。这是由于存在更多的可能选项:原子形成某个特定的鸡蛋只有一种方式,但是它落在地上打碎的方式可以有无数种。
举一个简单的例子,在斯诺克比赛开始的时候,10个红球被摆在一起构成一个类三角形。随着母球撞击,红球会被打散。由于开球之后这些红球会停留在诸多可能的位置上,所以每一局比赛从开球阶段就变得几乎独一无二。在很小的概率下,母球可能没撞上球堆,甚至自己也回到开球点位。这种情况下,将录像正放和倒放,电视观众就没法分辨哪个是真的比赛而哪个是按时间倒放。除了这种千年难遇的情况以外,电视观众都能分辨出真正的比赛和倒放,因为被随机打散的球不会趋向于聚拢起来形成一个整齐的等边三角形。
10个被打乱的斯诺克台球已经足够标示出时间的方向了。而在微观物体中包含有大量的原子,所以时间的方向就变得准确无疑。但对于原子中单独的基本粒子而言,时间却丢失了方向,就像斯诺克比赛中只剩下两个球时——在比赛的最后阶段,台面上只剩下一个黑球和白色母球——下一杆可能会打一个“定杆”,就是白球撞击静止的黑球,然后白球瞬间定住,并将自己的动量传递给黑球。反向播放这段录像,与正向唯一不同的只是黑色的“母球”撞击了白球而已。要是把两个球都换成白球,你就无法分辨所看的录像是正放还是倒放的。类似地,在单个电子、质子甚至原子的层面上,所有的法则都与时间方向没有关系。
对于那些单个的带电粒子,你还得多做一件事:重演时间,通过镜子观看,并将所有的电荷符号交换。你以什么开始,就会精确地以什么告终。在相似的黑白台球情况下,如果也将黑白两色交换,你会无法分辨真实和倒放。这是物质和反物质之间的对称,比如正负电子之间。电子的行为机制及其对力的响应,等同于镜像观看一个倒向播放的正电子。因此,正电子在正负电子对撞机中逆时针循环而形成的电流,等同于在时间逆向电影中观看顺时针循环的电子形成的电流。从这个角度看,正电子就像在时间逆行的电子。
费曼图是对数学计算的一种生动形象的勾勒,可以帮助人们避免陷入深奥的量子力学计算中去,其中带电粒子与电磁场的互相影响复杂无比。费曼图使我们能够直接得出结果;追踪那些导致正能态和负能态的微妙陷阱;而将后者看成“时间逆行”,可以非常有用地帮我们避开一些那种陷阱,但据我们所知,还没有什么东西能真正在时间中逆行。就像电子带负电,是在时间中前行的正能粒子;它的带正电类似体正电子也有正能量,同样在时间中前行。
在某个周一的清晨,将一个正电子束团和另一个电子束团同时注入正负电子对撞机中,然后随着它们在正负电子对撞机中慢慢向着未来循环,同时进行实时录像。在周末的时候,将这段录像倒放,与你在现实中看到的情形进行比较。正电子引起的电流看起来很像电子引起的电流的时间逆转,不多不少地,电子正像时间逆转的正电子。 和所有的反物质一样,正电子的行为与常见的物质粒子并无不同。只是它的破坏力使得其摊上了“反”物质的“恶名”,除此之外,它就是一个材料世界中的常客。
要将物质和反物质之间的深奥对称显现出来,你需要交换以下3个性质:电荷(C)、奇偶(P)、时间(T)。60多年前,当斯达克伯格和费曼进行他们的研究时,认为交换任意一个性质就足够显示出其对称性了,比如只交换时间。但是今天我们知道,一个是不够的。交换一个或者两个,还是会出现一些微妙的不同。物质和反物质可以毫无疑问地分开。