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霍金的派对：从科学天地到数码时代 量子引力在我家中？(1)
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明眼的读者一定看出来了，这个标题乃是效仿美国物理学家费米（Enrico Fermi）的夫人曾经用过的一个书名——《原子在我家中》（Atoms in the Family）。为什么要效仿呢？因为要介绍以色列希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）的物理学家贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）新近（2012年11月）提出的一个设想。那设想的最大特点是把原本被认为要用极巨大的设备才能探测的物理效应搬到了“桌面”（desktop）上，甚至有可能在“家”中进行。当然，我们还在标题上添了一个问号，其用意看过本文后将会自动明了。
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贝肯斯坦提议探测的物理效应是所谓的量子引力（quantum gravity）效应。一般认为，这种效应只有在极小的尺度上才会变得显著，那尺度被称为普朗克长度（Planck length），约为一千亿亿亿亿分之一米（10-35米），或相当于原子核尺度的一万亿亿分之一（10-20）。另一方面，微观世界的一个著名特点是：想要探测的距离越小，需要投入的能量就越高。物理学家们建造越来越大的加速器，正是为了达到越来越高的能量。但即便目前最大的加速器——周长27千米的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）——所能达到的能量也只有探测普朗克长度所需能量的一千万亿分之一（10-15）。
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那么，贝肯斯坦有什么神通，能绕过上述困难呢？他的思路是这样的：探测量子引力之所以需要极高的能量，是因为要探测极小的距离，但极小的距离却不一定非要探测才能确定。如果有办法不探测就能确定极小的距离，自然就无需极高的能量了。具体地说，贝肯斯坦的设想是这样的：用一个光子照射一块静止的（透明）介质，当光子进入介质时，它的动量将会变小，按照动量守恒，减小的动量将会传给介质，使之产生一个很小的速度；而当光子离开介质时，原先的动量将会恢复，介质则将重新静止。在这个过程中，介质的质心移动距离可以无需探测就用动量守恒来确定。
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贝肯斯坦证明了，通过选取适当的光子（比如波长为445纳米的绿光光子）和介质（比如厚度1毫米，质量0.15克的高铅玻璃），可以不太困难地将介质的质心移动距离控制在普朗克长度附近。另一方面，（贝肯斯坦认为）量子引力的效应之一乃是时空中存在大量尺度为普朗克长度的微型黑洞，它们的质量约为十万分之一克（即所谓的普朗克质量）。当介质的质心移动时，将不可避免地与微型黑洞相碰撞，且有可能因碰撞而受阻（因为微型黑洞的质量并不比透明介质的质量小太多）。但介质的质心移动是动量守恒的要求，只要光子穿过介质，那移动距离就是确定的，它的受阻只能意味着光子将被反射回去而无法穿过介质。这种体现量子引力效应的反射是对经典反射规律的修正。这样，贝肯斯坦就找到了一种在普通实验室里就能实现的方法，通过观测对经典反射规律的修正来检验量子引力效应。在论文中，贝肯斯坦还对有可能干扰实验的多种因素（比如色散、机械振动、环境中的气体分子和光子，乃至中微子和暗物质的影响等）进行了分析和排除，并得出结论说：那样的观测是当前的实验技术就能做到的。
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结论是令人振奋的，思路也是足够大胆的。问题是：分析可靠吗？在我看来是有点悬的。比如其中至关重要的介质的质心与微型黑洞的碰撞就很悬。众所周知，质心乃是抽象概念，并不对应于具体粒子，它本身是无法与微型黑洞相碰撞的。在碰撞问题中使用质心概念的一个先决条件，是由质心所代表的物体中的所有粒子都必须以直接或间接（即通过内部应力的传递）的方式参与相互作用（只有参与了，才有可能被代表）。但对于与尺度为普朗克长度的微型黑洞相碰撞来说，这是办不到的，因为那样的微型黑洞寿命极短，在其寿命范围内，相互作用的传递距离比原子核尺度还小十几个数量级，从而根本不可能让所有粒子都参与（事实上几乎不可能让任何粒子参与）。在这种情况下，质心将失去代表物体的作用，其与微型黑洞的碰撞也就无从谈起了。除此之外，贝肯斯坦的论文还有其他一些大胆却并不坚实的分析。或许正因为如此，该论文发表后，学术界的反响远不如媒体热烈，引用数迄今为零。我所见到的唯一圈内人士的评论来自瑞典诺迪克理论物理研究所（Nordic Institute for Theoretical Physics）的物理学家霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder），她也提出了若干异议（其中很有力的一条也是有关质心的，即质心的细微移动是很容易实现的，比如像声子那样只涉及一部分粒子的运动经全体粒子平均后，所对应的质心移动就很容易小到普朗克长度附近，但很难想象声子运动会跟量子引力有关），并表示看不出那样的实验会对任何量子引力理论产生约束。
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不过，贝肯斯坦是一位特殊的物理学家，他最著名的工作是1972年提出的黑洞熵概念，当时的分析也是大胆却并不坚实的，受到包括英国物理学家霍金（Stephen Hawking）在内的一些人的怀疑。但后来恰恰是霍金本人用比较坚实的推理支持了贝肯斯坦的分析。一晃40年过去了，已经65岁的老贝肯斯坦能重演25岁时的故事吗？我们将带着审慎的不乐观拭目以待。
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(1) 本文发表于《科学画报》2013年第2期（上海科学技术出版社出版）。
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每个人一生都会遇到遗憾事。如果你是电脑游戏玩家，也许常常会希望人生能像电脑游戏那样“读取进度”，重新尝试，让憾事不再。如果你问物理学家：人生能否“读取进度”？也许他会告诉你：那得看时间旅行是否可能。
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时间旅行是否可能？这问题物理学家们从目前已知的物理规律入手进行过研究，初步的结果不容乐观，但尚无定论。(2)既然尚无定论，就存在可能性，因此，有些物理学家从另一个角度进行了探讨，即时间旅行如果可能，我们周围是否已经有了时间旅行者？英国物理学家霍金（Stephen Hawking）在《时间简史》（A Brief History of Time）一书中就问过这个问题，他并且提出，对这个问题的否定回答，也许意味着重返过去的时间旅行是不可能的——之所以强调“重返过去”，是因为时间旅行在目前显然还不可能，从而时间旅行者只能来自未来，到我们周围对他们来说乃是重返过去。
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霍金的派对霍金的派对——从科学天地到数码时代0[]0为了检验我们周围究竟有没有时间旅行者，霍金还做过一个有趣的实验：他给时间旅行者写了请柬，邀请他们于某个指定时间到剑桥大学内的某个指定地点参加派对。他并且把消息的发布安排在指定时间之后，以确保没有普通人能因提前知道消息而冒充时间旅行者。那请柬则被放在了一个能长久保存的地方，以便未来很长时间内的时间旅行者都有可能发现它们。
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结果没有任何人来参加霍金的派对。
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不过物理学家们并不死心。
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2013年，美国密歇根理工大学（Michigan Technological University）的物理学家奈米罗夫（Robert J．Nemiroff）等人想到了另外一招：在互联网上搜索时间旅行者的信息。什么样的信息能被认为是来自时间旅行者的呢？奈米罗夫等人认为是有“先见之明”（prescient）的信息。具体地说，他们考虑了两类那样的信息：一类是在2012年9月之前提及“Comet ISON”（ISON彗星）的信息；另一类是在2013年3月之前提及“Pop Francis”（教皇方济各）的信息。这两者的时间范围都选在了所涉及的术语问世之前，因此对那些术语的提及有可能是时间旅行者才能有的“先见之明”。对那两类信息的选取还考虑了另外一些因素：比如所涉及的术语比较独特（这可以减少巧合），且比较重要（这可以增加其被时间旅行者知晓的可能性——不过“Comet ISON”在我看来是不太够格的）。
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至于搜索手段，奈米罗夫等人所倚重的是“推特”（Twitter）网站的具有时间排序的搜索功能，同时也借鉴了对他们的目的来说有一定缺陷的“谷歌”（Google）、“脸书”（Facebook）等网站的搜索功能。此外，他们还利用了“谷歌趋势”（Google Trends）——一种针对搜索术语本身的搜索工具，以检验是否有人在那些术语问世之前就进行过有先见之明的搜索。
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搜索的结果则跟霍金的派对一样：一无所获。
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虽然搜索失败，但相对于其他手段，网络搜索是比较容易的，因此或许会有人效仿。不过，那样的搜索有多大可信度却是值得怀疑的。在日本推理作家东野圭吾的小说中，有位罪犯在若干意外事件发生之前就在网上发布了信息。按奈米罗夫等人的方法，那样的信息很可能被当成是时间旅行者才有的“先见之明”。而其实，罪犯手法的环节之一只不过是发布很多同类信息，以确保有些能碰对。在奈米罗夫等人的搜索中，自然不会有罪犯来搅局，但每天有那么多人发布那么多信息，哪怕是比较独特的术语，碰巧出现的可能性也是不容忽视的。事实上，奈米罗夫等人已经碰到了一例，只不过是以太过含糊为由丢弃了。此外，这种搜索的遗漏性是很大的，因为重要术语何止成千上万？时间旅行者恰好提及被选中的术语的可能性是极小的。
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更何况，若时间旅行者果真来到我们周围，且有能力和意愿展示他们的先见之明，他们会用提及一两个术语那样小儿科的手法吗？我是很怀疑的。我倒是想起了多年前读过的一篇科幻小说：一艘来自先进文明的飞船因失事而致一名乘员失踪，那失踪之谜最终被查清了，原来那乘员幸存在了地球上，他在地球上的名字叫做爱因斯坦！
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也许，那篇科幻小说的寓意比奈米罗夫等人的设想还更切实一些吧，因为未来的科技才是最确凿的先见之明，时间旅行者若不吝展示先见之明的话，他（她）完全有可能成为像爱因斯坦那样的大人物，而不是在网上发几个含糊其词的术语。