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在不可能中寻找可能

  2020-08-07

想要生活在我们这个宇宙中,就必须遵守它的规则。比如,你不能用0做分母进行运算,不能以光速飞行,不能……


然而随着时间的推移,我们曾认为的许多“不能”或者“不可能”,在科学的进步和技术的革新之下变成了“可能”。如果用英国科幻作家亚瑟·克拉克的话说:“如果一个年高德劭的杰出科学家说,某件事情是可能的,那他可能是对的;但如果他说,某件事情是不可能的,他很有可能是错的。”


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2008年,著名理论物理学家加来道雄出版了科普著作《不可能的物理》,在书中,他将“不可能”分成了三个等级,永动机就属于最高的那一级。


几个世纪以来,大型永动机一直是许多科学家和发明家的终极梦想之一。在人们的设想中,永动机可以在没有外部能量源的情况下移动并进行其他有用的工作。早在12世纪左右,永动机的设计想法已经出现在文献记载中。许多历史名人都曾被永动机的概念深深吸引。比如,在文艺复兴时期,列奥纳多·达芬奇设计了几种包含旋转的重物的机器。而布莱斯·帕斯卡也是在尝试制造永动机的过程中,“顺便”发明出了轮盘机器。但到了19世纪,热力学定律的出现永远地关上了大型永动机的大门。


直到2012年,永动机的故事似乎出现了一丝转机。诺贝尔奖得主、理论物理学家弗兰克·维尔切克根据普通晶体的对称性破缺,创造出了“时间晶体”的概念。


时间晶体是一种新颖的物质状态,在没有外部能量源的情况下,这种材料能在时间上永远地重复下去。这样的物质具有一种内禀的时间规律,晶体的模式会在其物理特性中不断地来回变化,就像一种永远重复的心跳,这非常类似于永动机的概念。也正因如此,维尔切克本人也意识到了他所提出的时间晶体理论在这一点上非常奇怪。


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在食盐等普通晶体(左)中,原子以重复的模式排列。相邻原子之间的相互作用可以使晶体保持刚性。时间晶体具(右)有同样的刚性模式,但它的重复模式不是出现在空间中,而是在时间维度上。这种重复有点像地球的四季,一年一次,就像时钟一样精准。


在维尔切克提出时间晶体的概念后不久,曾有物理学家证明这类“永动”的晶体的确不可能存在。但2016年,一些研究曾表明,时间晶体可以在存在某种外部驱动力的情况下存在,这又让科学家看到了一丝希望。


直到2019年年底,一篇最新研究提出了一种可以在完全与环境隔绝的条件下创造时间晶体的方法。与以往需要激光脉冲来启动自旋振荡的实验不同,在新的研究中,研究人员证明了在没有激光或其他外力的情况下,也有可能绕过热力学约束的限制,制造出时间晶体。


在“可能”与“不可能”的博弈中,时间晶体最终被创造了出来,维尔切克的思想也得到了证实。


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还有一些“不可能”的可能性则来自对定义不同的理解和利用,比如负温度。


1906年,德国化学家沃尔特·能斯特提出热定理,该定理指出,当完整晶体接近0开尔文的绝对零度时,系统的熵也趋于零。1912年,能斯特进一步用不可达性原理(unattainability principle)完善了理论,也就是说,绝对零度在物理上是无法达到的。它们共同构筑了现代热力学第三定律。


在开尔文温标上,温度是由粒子的动能决定的,粒子慢速运动的气体比粒子快速运动的气体更冷,而绝对零度代表着粒子完全停止运动,所以无法低于绝对零度似乎是符合逻辑的。但是,科学家发现,如果换一种方式理解,其实还可以跳到它的下面。


根据严格的热力学定义,温度还是一种秩序的量度,它取决于粒子能量在气体中的分布方式。也就是说,越平静、越有序的东西,其温度就越低。


在正温度下,增加更多能量意味着更多增加更多熵。比如,为了使水沸腾,我们需要向水中增加能量。在加热过程中,水分子的动能随着时间的推移而增加,它们平均的移动速度也更快。然而,单个分子拥有不同的动能,它们有的非常慢,有的则特别快。在热平衡中,低能态比高能态更有可能,也就是说,只有少数粒子运动得很快。这种分布称为玻尔兹曼分布。


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玻尔兹曼分布可以用分布在“丘陵景观”的“球”来说明,这种景观为球的势能提供了上限和下限。正温度(左)遵循一般的玻尔兹曼分布。在无限温度下(中),球均匀地分布在景观中的低能量山谷和高能量山峰上。此时所有的能量态都具有同样的可能。然而,在负温度(右)下,大多数球会在山顶上游荡,达到势能的上限。它们的动能也是最大的。总能量大的能量态比总能量小的能量态占据更多。


2013年,德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学的物理学家利用激光操纵了一些接近绝对零度的原子。在这种原子气体中,能量与熵的相关性被打破,玻尔兹曼分布被颠倒了,许多粒子具有很高的能量,只有少数粒子具有较低的能量。这种能量分布的反转意味着粒子具有负绝对温度。


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传统的正温度依赖于能量和熵的共同增加。但当熵降低时,物体温度也可能会更热,这种温度在开尔文标度上是负的。


当然,不得不说,这有些“作弊”。绝对零度仍然代表着一个系统所能拥有的最低能量,只是开尔文温标未必能反映这一点。这样负温度在生活层面可能没那么有用。但它可能有助于我们研究暗能量,这种神秘的物质正不断“撕裂”着宇宙。而一些科学家认为,暗能量可能具有负温度。


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还有一些看似“不可能”,事实上反映的是我们的“不知道”。


1928年,保罗·狄拉克预言了反粒子的存在。4年后,卡尔·安德森首先发现了电子的反粒子——正电子,证实了狄拉克的预言。


我们知道,通常情况下,当物质与其对应的反物质接触时,两者会在突然的能量爆发中湮灭。从理论上来说,在宇宙大爆炸之后,会产生等量的物质和反物质,所以它们应当全部湮灭。但(对我们来说)幸运的是,不知出于什么原因,我们的宇宙最终充满了物质,而反物质却少之又少,让这个宇宙有了接下来138亿年的故事。


然而奇怪的是,物理学家发现,有些物质可能也是自身的反物质,马约拉纳费米子就是它们自身的反粒子,能够在适当的条件下自我湮灭。这种假想粒子首先由埃托雷·马约拉纳于1937年提出。物理学家一直怀疑,神秘的中微子可能属于这一类粒子。


要揭开这个谜题,意味着需要找到宇宙中一种非常罕见的过程,被称为无中微子双β衰变。可以这么理解,双β衰变可以让原子核内的两个中子衰变为两个质子,并产生两个电子和两个反中微子。如果中微子是马约拉纳粒子,双β衰变释放的两个反中微子就会相互“抵消”。发现双β衰变不仅能够揭开中微子的“身世”,还能够回答造成物质和反物质之间不平衡的根源。


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越来越多的研究似乎正带领我们接近答案,虽然物理学家一直没有在宇宙中找到马约拉纳费米子,但也不断有报道表明,他们在实验室里制造出了类似的物质。当一个电子被从超导体中拉出时,会留下一个空穴,这个空穴就像是一个质量相同的带正电的粒子。如果以正确的方式操纵这两个粒子,它们就可以像马约拉纳粒子一样作用。科学家一直在不可能中寻找可能,探索可能的边界。



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