克里斯托弗·諾蘭的新片《信條》最近刷了屏,。諾蘭對(duì)“時(shí)空”的概念非常著迷,，在多重夢(mèng)境和五維空間后，諾蘭開(kāi)啟了“逆轉(zhuǎn)時(shí)空”的嘗試,。但不得不說(shuō),，即使是最顛覆的大片故事，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上物理學(xué)家那些“最瘋狂的腦洞”,。電影中的主角也提到了一個(gè)物理學(xué)中“時(shí)間逆轉(zhuǎn)”的故事,。

早在幾十年前，在一通看似平常的電話中,，兩位頂尖的物理學(xué)家已經(jīng)在大腦中“顛覆”了時(shí)空,。

時(shí)間回到1940年。一天,，理查德·費(fèi)曼正在普林斯頓研究生院休息,。他突然接到了約翰·惠勒教授的一個(gè)電話?；堇赵陔娫捓镎f(shuō)：“費(fèi)曼,，我知道為什么所有電子都有一樣的電荷和質(zhì)量了?！?/span>

惠勒提到的這個(gè)問(wèn)題,，是量子世界中最具代表性的奇怪問(wèn)題之一。從某種角度上來(lái)說(shuō),，電子非常奇特——每一個(gè)電子都是一樣的,，所有電子都具有相同的質(zhì)量,，相同的電荷數(shù)，相同的自旋,，相同的……換句話說(shuō),，我們不僅無(wú)法根據(jù)電子的物理性質(zhì)來(lái)區(qū)分它們，而且是根本沒(méi)有辦法區(qū)分它們,。

如果想要根據(jù)電子的位置來(lái)確定特定的某個(gè)電子,，需要精確測(cè)量其軌跡，而量子力學(xué)定律又“禁止”我們這么做,。在兩次測(cè)量之間,，量子世界中的電子是概率性的，它們由波函數(shù)定義,，波函數(shù)給出了在任一給定位置找到電子的幾率,。當(dāng)多個(gè)電子的波函數(shù)重疊時(shí)，我們就不可能確定最初測(cè)量到的究竟是哪一個(gè)電子,。

量子理論很好地解釋了電子的這些行為,，但它卻沒(méi)有回答一個(gè)更深層次的“為什么”的問(wèn)題，那就是,，為什么所有電子都是一樣的,？它們確實(shí)是一樣的，但科學(xué)家卻沒(méi)有找到什么實(shí)際的理由來(lái)說(shuō)明它們?yōu)楹螒?yīng)當(dāng)如此,。許多人認(rèn)為,，無(wú)法區(qū)分的粒子就是無(wú)法區(qū)分的，因?yàn)橛钪婢褪侨绱?，沒(méi)有進(jìn)一步的解釋,。

但惠勒不屬于這類人?；堇毡砻婵雌饋?lái)少言寡語(yǔ),，他總是舉止慎重，表現(xiàn)得很有禮貌,。尤其和他最出色的學(xué)生之一費(fèi)曼相比,，許多人顯然會(huì)認(rèn)為費(fèi)曼才是更加“不守規(guī)矩”的那一位。但實(shí)際上,，惠勒的科學(xué)生涯甚至更偏離“主流”,，在他循規(guī)蹈矩的外表之下，隱藏著一顆不走尋常路的心,。物理學(xué)家保羅·哈爾彭曾做過(guò)一個(gè)類比,，他認(rèn)為惠勒和費(fèi)曼剛好能形成完美的互補(bǔ)?；堇障矚g感知性的哲學(xué)思考,，經(jīng)常產(chǎn)生獨(dú)一無(wú)二的想法，就像“科學(xué)界的達(dá)·芬奇”,，可以設(shè)計(jì)出巧妙的框架（但常常停留在草圖階段）,。而費(fèi)曼則精于計(jì)算，他像米開(kāi)朗琪羅一樣,，是位出色的“科學(xué)雕塑家”,，能親手創(chuàng)作出令人嘆為觀止的作品。

顯然,，在那通電話里,，惠勒又冒出了一個(gè)“離經(jīng)叛道”的瘋狂想法。

惠勒試圖解釋為什么所有電子都是一樣的,。他猜想,，這是因?yàn)檎麄€(gè)宇宙中其實(shí)只有一個(gè)電子?；堇赵陔娫捴薪忉尩溃骸凹僭O(shè)世界線（world line,，即粒子在時(shí)空中的一種‘軌跡’）不僅僅是在時(shí)間上行進(jìn)，而是一個(gè)巨大的結(jié),。當(dāng)我們沿著某個(gè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的平面切穿這個(gè)結(jié),，我們會(huì)看到許多許多世界線，它們代表了許多電子,。如果有一條普通電子的時(shí)間線,，而在其中的某一段上，電子在這里發(fā)生了逆轉(zhuǎn),，從未來(lái)回到了過(guò)去,，那么對(duì)于正確的時(shí)間和正確的四維速度來(lái)說(shuō)，我們就得到了錯(cuò)誤的符號(hào),，這就相當(dāng)于改變了電荷的符號(hào),，因此，路徑的那部分也就像一個(gè)正電子一樣作用,?！?/span>

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，惠勒想象這是一個(gè)“單電子宇宙”,，在電子的這場(chǎng)時(shí)空冒險(xiǎn)中,，唯一的粒子就是獨(dú)一無(wú)二的主角。我們之所以認(rèn)為世界上有很多電子,，是因?yàn)槲覀冎荒芸吹侥硞€(gè)時(shí)刻的場(chǎng)景,，它是整個(gè)現(xiàn)實(shí)的一個(gè)剖面。在我們看到的這個(gè)場(chǎng)景中，同一個(gè)電子以不同“分身”出現(xiàn),，這些“分身”甚至可能相互作用,。而在數(shù)學(xué)上，根據(jù)狄拉克方程,，一個(gè)帶負(fù)電的電子向過(guò)去運(yùn)動(dòng),，就相當(dāng)于一個(gè)帶正電的正電子向未來(lái)運(yùn)動(dòng)。

 惠勒猜想,，我們看到的電子,，其實(shí)是“單電子宇宙”中唯一電子的世界線（綠）在某個(gè)時(shí)刻的剖面（藍(lán)）上的“分身”。由于電子被光子散射,，電子世界線的方向會(huì)發(fā)生變化,。| 圖片設(shè)計(jì)：雯雯子；素材參考：[5]

惠勒觸及到了粒子物理學(xué)中很基本也是很奇怪的一點(diǎn),，那就是時(shí)間的流逝方向似乎并不重要,。而結(jié)果就是，通過(guò)一些“簡(jiǎn)單”的方程,，他就可以將一個(gè)在時(shí)間上后退的粒子轉(zhuǎn)換成一個(gè)前進(jìn)的粒子,，而唯一可以觀察到的變化就是粒子電荷的翻轉(zhuǎn)，也就是電子變成了正電子,。

當(dāng)然,，這種說(shuō)法也有一些問(wèn)題。費(fèi)曼很快意識(shí)到,，這無(wú)法解釋電子和正電子在數(shù)量上的巨大差異,。假如真如惠勒所說(shuō)，電子和正電子應(yīng)該數(shù)量相當(dāng),，但事實(shí)截然相反,。對(duì)此，惠勒的回答是,，他覺(jué)得也許大多正電子都嵌在了質(zhì)子或者其他什么東西里面,。

 如果真如惠勒所說(shuō)，電子和正電子的數(shù)量應(yīng)該相當(dāng),。| 圖片設(shè)計(jì)：雯雯子,；素材參考：[6]

在這次電話交談后，費(fèi)曼和惠勒都沒(méi)有再深究“單電子宇宙”,。他們都清楚,，這個(gè)想法非常瘋狂，同時(shí),，也并沒(méi)有什么顯而易見(jiàn)的方式能檢驗(yàn)它,。但這次談話也并非就此結(jié)束了,，惠勒在談話中提到的另一點(diǎn)，也就是正電子可以被看作“時(shí)間逆轉(zhuǎn)”的電子,，卻在費(fèi)曼的心中扎下了根,，并由此發(fā)展出了新的東西。費(fèi)曼曾經(jīng)公開(kāi)表示,，這個(gè)想法就是他從惠勒那里“偷”來(lái)的,。

費(fèi)曼發(fā)現(xiàn),，借助惠勒所說(shuō)的這種方式,，可以簡(jiǎn)單直接地理解正電子，并且與方程吻合,，計(jì)算起來(lái)也很容易,。這也成了費(fèi)曼著名的量子力學(xué)“時(shí)空觀”的基石之一。

 這張費(fèi)曼圖看起來(lái)就像一個(gè)電子與一個(gè)正電子碰撞,，轉(zhuǎn)變成一個(gè)光子,，然后再轉(zhuǎn)變成一個(gè)電子和一個(gè)正電子。

費(fèi)曼用一種簡(jiǎn)潔而巧妙的視覺(jué)表達(dá),，直觀地表述出了高深的數(shù)學(xué),，他創(chuàng)造的“粒子的波浪線之舞”大大簡(jiǎn)化了計(jì)算。在費(fèi)曼圖中,，光子被畫(huà)成波浪線,，而電子和正電子被畫(huà)成帶有箭頭的直線，箭頭表示負(fù)電荷的流動(dòng)方向,。在線的旁邊還有一個(gè)箭頭,，代表進(jìn)出粒子的運(yùn)動(dòng)方向。這種創(chuàng)造性的表達(dá)為現(xiàn)代理論物理學(xué)帶來(lái)了一場(chǎng)革命,，很快,，費(fèi)曼圖已經(jīng)變得“無(wú)處不在”。

當(dāng)然,，這并不是說(shuō)正電子真的是一個(gè)在時(shí)間上“逆轉(zhuǎn)”的電子,，這更多是一種對(duì)費(fèi)曼圖的物理理解。對(duì)費(fèi)曼圖的其他理解可能并不涉及“時(shí)間逆轉(zhuǎn)”,，但同樣有效,。在《約翰·惠勒自傳：京子、黑洞和量子泡沫》中,，惠勒本人同樣表示,，“正電子在質(zhì)子中”的想法也并非一個(gè)值得認(rèn)真思考的嚴(yán)謹(jǐn)說(shuō)法。他寫道：

“我當(dāng)然知道,，至少在宇宙中我們生活的這個(gè)角落里,，電子比正電子要多得多。但我仍然覺(jué)得，想到時(shí)空中的軌跡可以在任何方向上不受約束地前進(jìn),、后退,、向上、向下,、向左或者向右,，這著實(shí)令人興奮。”