誰在挑戰(zhàn)大爆炸理論？

根據(jù)愛因斯坦狹義相對論，真空中光速在任何慣性系中都相等，光速是一切物質(zhì)運動和相互作用傳播的最大極限。有關(guān)超時空轉(zhuǎn)移的科幻故事由來已久，人們對這種技術(shù)的興趣也歷久不衰。皆因在愛因斯坦的相對論中，沒有任何東西可快過光速。對渴望突破三維空間限制的人類來說，“超時空轉(zhuǎn)移”與“時光機器”一樣，都遙不可及，但卻偏偏是最吸引人的夢想。

2002年8月，澳大利亞科學(xué)家提出了一個大膽創(chuàng)新的設(shè)想，光速可能是不恒定的。無獨有偶，2003年3月，英國劍橋大學(xué)物理學(xué)高級講師諾昂?馬蓋羅指出，大爆炸理論和相對論有幾個問題沒有解決，最直接的是：第一，相距遙遠(yuǎn)的星系之間相似的概率幾乎為零；第二，如果光速是固定不變的，宇宙就不可能擴張得這么遠(yuǎn)這么快?？茖W(xué)家早就認(rèn)識到這一點，但迄今為止所有試圖解釋這些現(xiàn)象的理論都是修正而不是根本替代大爆炸理論。 而意大利科學(xué)家去年持續(xù)進(jìn)行了成百上千次的中微子運動速度可能超過光速的實驗，盡管存在爭議未有定論，但這意味著現(xiàn)代物理學(xué)最重大的法則之一──愛因斯坦的相對論面臨著空前的挑戰(zhàn)。

觀測表明宇宙正在加速膨脹

由最優(yōu)秀的物理學(xué)家，包括斯坦福大學(xué)著名理論家倫納德?薩斯坎德組成的兩個獨立小組幾年前提出，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果顯示，宇宙正在加速膨脹，這有可能導(dǎo)致弦論的失敗。有很多人認(rèn)為弦論是統(tǒng)一四個主要物理學(xué)派的最佳候選理論。

在相繼遞交洛斯-阿拉莫斯國家實驗室的論文中，斯坦福大學(xué)薩斯坎德，以及得克薩斯大學(xué)的弦論家威利?菲施勒和索尼婭?帕班得出相同的結(jié)論，即宇宙加速膨脹給弦論帶來嚴(yán)重或許是致命的困難。洛斯阿拉莫斯國家實驗室是有關(guān)這一題目的論文的眾多資料庫之一。

對弦論的質(zhì)疑來自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)。1998年2月，一個天體物理學(xué)家和天文學(xué)家的“國際聯(lián)盟”──高紅移超新星搜尋小組公布了一項驚人的發(fā)現(xiàn)：對來自遙遠(yuǎn)超新星的光的研究結(jié)果證明，宇宙正在加速膨脹得到充分證實，就是說宇宙正在以越來越快的速度膨脹。早在上紀(jì)七八十年代，根據(jù)紅移現(xiàn)象，天文學(xué)家認(rèn)為宇宙邊緣天體的退行速度能達(dá)到光速的0.6倍甚至更大。

此后，伯克利加利福尼亞大學(xué)和芝加哥大學(xué)的哈勃望遠(yuǎn)鏡研究小組多次證實了這項發(fā)現(xiàn)。

如薩斯坎德、菲施勒和帕班解釋的那樣，加速膨脹的宇宙會為“事界”所環(huán)繞。黑洞同樣為這種邊界所環(huán)繞。在事界之外存在的任何物質(zhì)都是觀察不到的。

但是弦論依賴的是，觀測者能夠看到和測量無限遠(yuǎn)處的以所謂“S 矩陣”排列的粒子。按照定義，這些粒子處于事界之外。

加拿大多倫多大學(xué)物理學(xué)家約翰?莫法特說：“這是個潛伏的危機。一旦有粒子系統(tǒng)，而弦論中必須有粒子系統(tǒng)，那就無法觀測到。觀測數(shù)據(jù)告訴我們宇宙正在加速膨脹的事實給弦論和依賴無窮遠(yuǎn)處存在粒子的任何量子場論帶來危機。”

大爆炸理論難以自圓其說

2003年3月初，英國衛(wèi)報報道了劍橋大學(xué)物理學(xué)高級講師諾昂?馬蓋羅正在研究大爆炸理論以及這一理論在解釋宇宙擴張方面的矛盾說法。諾昂?馬蓋羅認(rèn)為，假如光速不是固定不變的，一切就都容易解釋了。這可能意味著要推翻愛因斯坦的相對論以及另外一些物理學(xué)定律。

馬蓋羅一開始向?qū)W術(shù)界的朋友們提出了自己的想法，得到的反應(yīng)各不相同，有的人很禮貌地裝聾作啞，有的人直率地嘲笑他的愚蠢，說他的想法是科學(xué)上的異端邪說?？墒牵嗄赀^去了，越來越多的物理學(xué)家不得不承認(rèn)，他可能有道理。

大爆炸理論和相對論有幾個問題沒有解決，最直接的是：第一，相距遙遠(yuǎn)的星系之間相似的概率幾乎為零；第二，如果光速是固定不變的，宇宙就不可能擴張得這么遠(yuǎn)這么快?？茖W(xué)家早就認(rèn)識到這一點，但迄今為止所有試圖解釋這些現(xiàn)象的理論都是修正而不是根本替代大爆炸理論。

物理學(xué)界有兩大主要流派。一派是“膨脹派”，他們認(rèn)為嬰兒時期的宇宙擴張的速度比現(xiàn)在快得多。另一派是“吸氣派”，他們認(rèn)為宇宙像是11維的吸氣薄膜?？茖W(xué)沒有絕對的東西，這兩大流派已經(jīng)成為半政治性的派別。從廣義上說，膨脹派理論是在美國人中發(fā)展起來的，現(xiàn)在仍被美國人所持有，而其他人都持吸氣派理論。

當(dāng)有人向他問起這兩種理論時，馬蓋羅說：“他們可能是對的，如果他們是對的，我會為他們高興?！钡?，不言而喻的挑戰(zhàn)是，他們必須拿出證據(jù)。馬蓋羅指出：“產(chǎn)生這種想法只是頃刻之間的事情，艱苦的工作是用事實證實這種理論?！?/p>

宇宙可能不是刻形成的

證明在實驗室里創(chuàng)立的理論會遇到許多明顯的困難。為了證實──或者至少解釋這些理論，常常需要整頁整頁詳細(xì)而復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算。自從馬蓋羅同另一位物理學(xué)家──安迪?阿爾布雷克特結(jié)成志同道合的伙伴并在《物理學(xué)評論》上發(fā)表論文以來，為證明馬蓋羅的可變光速理論而采取的最初步驟已經(jīng)取得穩(wěn)步的進(jìn)展，并且已經(jīng)有許多科學(xué)家在許多不同的領(lǐng)域開展研究工作。

馬蓋羅說：“物理恒量是由環(huán)境決定的，是由周圍物質(zhì)決定的，而是不預(yù)先設(shè)定的。沒有物質(zhì)就沒有物理學(xué)。如果宇宙在物質(zhì)方面變得越來越稀薄，越來越冷，那就完全有理由認(rèn)為恒量可能改變了。目前，可變光速理論有兩大組成部分：光速受鄰近物質(zhì)影響，它受熱量的影響──溫度越高，光的能量越大。”

光速理論不僅糾正大爆炸理論在確定宇宙發(fā)展時間表方面的錯誤，而且還提出了全新的宇宙發(fā)展時間表，宇宙的形成不再是頃刻之間的事情，而是一個比較平穩(wěn)變化的過程，是物質(zhì)從“無物之海(a sea of nothing)”中形成的過程。

大多科學(xué)家都喜歡堅持他們認(rèn)為是普遍真理的理論，這是可以理解的，那么，馬蓋羅為什么會對好幾代科學(xué)家都認(rèn)為是正確的相對論──包括光速不變和物質(zhì)不滅定律──提出質(zhì)疑呢？

馬蓋羅說：“我知道這是物理學(xué)的基本理論，但是，數(shù)學(xué)確實也能說明問題。”他認(rèn)為也許不久就能有實驗證據(jù)。他說：“光速每年都有細(xì)微的變化，到目前為止，我們還不能測量這種細(xì)微的變化。但是，我相信，今后幾年，下一代原子鐘將能測量這種變化。我們已經(jīng)注意到支持這一理論的研究。日本科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，幾十億年前的類星射電源的速度就比現(xiàn)在快?！?/p>

馬蓋羅說：“重要的是，理論要有可以經(jīng)得起考驗的預(yù)見力量。我不能理解數(shù)學(xué)家對弦論的執(zhí)著。它什么都不能預(yù)測，它沒有任何意義?！?/p>

深刻影響對宇宙的認(rèn)識

可變光速的預(yù)測具有深遠(yuǎn)的意義。如果馬蓋羅是正確的，我們就得重新考慮我們對黑洞的理解。可變光速理論認(rèn)為，黑洞并不是把物質(zhì)吸進(jìn)去，而是因為光速在黑洞的范圍內(nèi)減到零。換句話說沒有東西能進(jìn)去，因為沒有東西能移動得比光快。同樣地，宇宙將繼續(xù)擴張150億年，直到它變得太空洞了，以至于達(dá)到可以發(fā)生跟目前宇宙開始形成時的那種擴張相類似的擴張的那種狀態(tài)。

馬蓋羅很可能是正確的，但是，如果最終證明他是錯誤的，他不會很在意。他說：“重要的是去想不能想的事情，向我們已經(jīng)掌握的知識挑戰(zhàn)。許多科學(xué)家不敢提出太激進(jìn)的設(shè)想，因為他們不想拿他們的學(xué)術(shù)信譽冒險?！?/p>

如果馬蓋羅是正確的，對物理學(xué)會產(chǎn)生什么影響？他說：“你們要記住，距離造成的變化是很小的。相對論和牛頓物理學(xué)仍有很多東西值得我們學(xué)習(xí)。衛(wèi)星仍然要用牛頓物理學(xué)的公式來發(fā)射?！敝挥挟?dāng)傳統(tǒng)理論陷入困境的時候，“數(shù)學(xué)開始說明，可變光速理論可能會成為一個做出重大修正的物理學(xué)理論?！?/p>

光速可能是不恒定的

澳大利亞科學(xué)家早在2002年8月上旬提出，光速可能是不恒定的，這一大膽創(chuàng)新的設(shè)想，意味著現(xiàn)代物理學(xué)最重大的法則之一──愛因斯坦的相對論面臨著空前的挑戰(zhàn)。由悉尼麥夸里大學(xué)物理學(xué)家保羅?戴維斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組稱，光速在數(shù)十億年的時間里減慢了。果真如此的話，物理學(xué)家就必須重新審視他們關(guān)于宇宙定律的一些基本理論。戴維斯說：“這就意味著要放棄相對論和E=mC2方程式這些東西。”

戴維斯等人的大膽設(shè)想刊登在《自然》雜志上。

光速可變的理論是基于新南威爾士大學(xué)天文學(xué)家約翰?韋布收集的數(shù)據(jù)。他發(fā)現(xiàn)來自一個遙遠(yuǎn)類星體的光線，在經(jīng)過120億年到達(dá)地球的過程中，吸收了來自星際云的錯誤類型的光子，這就提出了一個難題。

戴維斯說，韋布的觀察結(jié)果說明，放出類星體光的原子結(jié)構(gòu)與人類認(rèn)識的原子結(jié)構(gòu)略有不同，但這一差異卻又是重大的。它唯一的解釋只能是電子電荷或光速發(fā)生了改變。

戴維斯說：“可是最重要的兩條宇宙定律卻是，電子電荷不會改變，光速也不會改變，因此不管怎么看橫豎都是個難題?！?/p>

為了確定哪個恒量可能是不恒定的，戴維斯的研究小組求助于黑洞理論和其他星系特征。

他們也應(yīng)用了另一條物理學(xué)原理，即熱力學(xué)第二定律，戴維斯將其概括為“不可能無中生有”?？紤]到電子電荷改變就違反了不可違背的熱力學(xué)第二定律，他們認(rèn)為唯一的可能是挑戰(zhàn)光速的恒定性。

當(dāng)然還需要更多的類星體光研究來證實韋布的觀察結(jié)果，繼而支持光速可變的設(shè)想，戴維斯強調(diào)這只代表了相對論的第一個漏洞。而它可能產(chǎn)生的影響也與探索不盡的宇宙一樣無法估計。

科學(xué)家的“瞬間轉(zhuǎn)移”夢

所謂“瞬間轉(zhuǎn)移”（teleportation）技術(shù)，是將人或物件瞬間從一個地方消失，再在另一個地方將之重新現(xiàn)形。這就意味著，旅行過程中的時間和空間將會消失，我們可以從一個地點瞬間到達(dá)另一個地點，不需要走一段物理路線。十多年前，科學(xué)界認(rèn)為這是不可能的事，而目前世界上有不止六個科學(xué)團(tuán)體在積極研究。

自5000年前人類發(fā)明車輪后，人類就一直在尋找更快地從一個點抵達(dá)另一點的旅行方法。有關(guān)超時空轉(zhuǎn)移的科幻故事由來已久，人們對這種技術(shù)的興趣也歷久不衰。皆因在愛因斯坦的相對論中，沒有任何東西可快過光束，所以人類要實現(xiàn)星際飛行的夢想，就須靠類似瞬間轉(zhuǎn)移的科技。對渴望突破三度空間限制的人類來說，“超時空轉(zhuǎn)移”與“時光機器”一樣，都是可望而不可及的，但卻偏偏是最吸引人的夢想。

1993年3月，瞬間轉(zhuǎn)移終于走出科幻小說，變成了理論上的可能。美國物理學(xué)家查爾斯?貝尼特和IBM的一個研究小組證實，瞬間轉(zhuǎn)移是可行的，從那以后，科學(xué)家利用光子做了大量試驗，證明瞬間轉(zhuǎn)移事實上是可行的。

由澳大利亞國立大學(xué)華裔物理學(xué)家林平奎領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，破天荒地用一種名為“量子牽連”（quantumentanglement）的技術(shù)，在光學(xué)通信系統(tǒng)的一端把一束激光信息“毀滅”，然后在一米外的另一端，將它重新現(xiàn)形。

2002年６月17日，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)部長麥高蘭主持記者大會，宣布了這項成果。該小組說，瞬間轉(zhuǎn)移的最終目標(biāo)，是像電影《星空奇遇記》一樣，瞬間把人傳送到遠(yuǎn)方，無需交通工具。

光的構(gòu)成基本單位是光子，所謂“光束瞬間轉(zhuǎn)移”簡言之就是將一束光從一個房間轉(zhuǎn)移到另一間房間，其中關(guān)鍵是利用該光束內(nèi)的光子資料，在另一房間復(fù)制出來。研究人員先將一段無線電資料信息編成“光子密碼”，“收錄”入一束激光中。研究人員然后將這束激光信息，與量子牽連技術(shù)結(jié)合，經(jīng)過掃描步驟后將之毀滅，但是記錄在激光束中的密碼信息卻保存下來，并由研究人員以電子的形式傳送至另一端的接收站，接收站便在瞬間讀取和翻譯電子信息，然后將剛才那段包含了特定無線電資料信息的激光束“還原”出來。

“瞬間轉(zhuǎn)移粒子”仍遙遙無期

林平奎博士負(fù)責(zé)的這個研究小組共有12名成員，據(jù)悉，澳大利亞的科學(xué)家在這次實驗中，共摧毀了幾十億個光子，然后成功地將其復(fù)制出來。這個過程，便被稱作“量子牽連”，花費的時間只有十億分之一秒。

國際科技界認(rèn)為，澳大利亞科學(xué)家進(jìn)行的這項實驗為電子和通訊技術(shù)實現(xiàn)“革命性進(jìn)步”拉開了序幕。負(fù)責(zé)這項實驗的林平奎博士也認(rèn)為，這個實驗的最終成功將使各政府機構(gòu)、銀行，以及任何想高速交換信息的各界人士，以“難以置信的高速度”，在絕對保密的情況下實現(xiàn)這一目的。

然而，用“遠(yuǎn)程瞬間傳物”模式進(jìn)行人類和其他物體實驗離看到可信的結(jié)果，目前似乎還遙遙無期。但新技術(shù)仍有很多用途。科學(xué)家相信可在短期之內(nèi)，利用這種技術(shù)，制造出比目前運算速度最快的電腦還要快10億倍的超級電腦，并通過提高通訊系統(tǒng)的效率，確立量子信息時代。

科學(xué)家相信，新一代電腦將可應(yīng)用“瞬間轉(zhuǎn)移”技術(shù)，取代電線和芯片以傳輸信息，成為“量子電腦”，其效率會比今天的電腦更強更快?？茖W(xué)家認(rèn)為，量子信息時代將會降臨，雖然不會在5年至10年內(nèi)發(fā)生，但再過100年，這種技術(shù)的應(yīng)用一定會很普遍。在理論上，這種技術(shù)還可傳送物體，研究人員正在開發(fā)“瞬間轉(zhuǎn)移粒子”的技術(shù)。粒子就是物質(zhì)的基本單位。

澳大利亞對進(jìn)行這樣的實驗采取了“相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度”。因為雖然這是一項非常誘人的技術(shù)，但由于難度太大，所以在此之前，很少有科學(xué)家愿意把精力花在這一領(lǐng)域，只在1998年傳出過美國的加利福尼亞州技術(shù)研究所做過類似的實驗。林博士認(rèn)為，同美國開展的類似實驗相比，澳大利亞國立大學(xué)的實驗更可靠，結(jié)果也“更具有積極意義”。

林博士介紹說，普通人在預(yù)測一個足球的運行路線或者飛機在哪里著陸，靠的都是牛頓物理學(xué)理論，但在量子世界──一個比原子世界還要小的世界，物理學(xué)的一般經(jīng)驗似乎就站不住腳了，你會發(fā)現(xiàn)很多奇妙的事情發(fā)生，粒子好像可以同時出現(xiàn)在不同的地方。

科學(xué)家們下一步研究的重點是，把體積比光子大的實質(zhì)物體，瞬間傳送到遠(yuǎn)處。林博士說：“原則上我認(rèn)為可行，但可能是一千年后的事。打個比喻，我們現(xiàn)在發(fā)明的，只能算是算盤（量子瞬間轉(zhuǎn)移），要制造超級算盤（生物瞬間轉(zhuǎn)移），這條路仍很漫長?！?/p>

（作者簡介：沈英甲，著名科技記者，原科技日報高級記者，中國作家協(xié)會會員、中國科普作家協(xié)會會員。曾多次獲包括中國新聞獎在內(nèi)的全國新新聞獎、征文獎等。曾先后參加西太平洋、神農(nóng)架、青藏高原、巴丹吉林沙漠等科學(xué)考察，出版各種著作20余部。）