在不可能中尋找可能
2020年08月06日10:01

  來源:原理

  想要生活在我們這個宇宙中,就必須遵守它的規則。比如,你不能用0做分母進行運算,不能以光速飛行,不能……

  然而隨著時間的推移,我們曾認為的許多“不能”或者“不可能”,在科學的進步和技術的革新之下變成了“可能”。如果用英國科幻作家亞瑟·克拉克的話說:“如果一個年高德劭的傑出科學家說,某件事情是可能的,那他可能是對的;但如果他說,某件事情是不可能的,他很有可能是錯的。”

  2008年,著名理論物理學家加來道雄出版了科普著作《不可能的物理》,在書中,他將“不可能”分成了三個等級,永動機就屬於最高的那一級。

  

幾個世紀以來,大型永動機一直是許多科學家和發明家的終極夢想之一。在人們的設想中,永動機可以在沒有外部能量源的情況下移動並進行其他有用的工作。早在12世紀左右,永動機的設計想法已經出現在文獻記載中。許多歷史名人都曾被永動機的概念深深吸引。比如,在文藝複興時期,列奧納多·達芬奇設計了幾種包含旋轉的重物的機器。而布萊斯·帕斯卡也是在嚐試製造永動機的過程中,“順便”發明出了輪盤機器。但到了19世紀,熱力學定律的出現永遠地關上了大型永動機的大門。

  直到2012年,永動機的故事似乎出現了一絲轉機。諾貝爾獎得主、理論物理學家弗蘭克·維爾切克根據普通晶體的對稱性破缺,創造出了“時間晶體”的概念。

  時間晶體是一種新穎的物質狀態,在沒有外部能量源的情況下,這種材料能在時間上永遠地重複下去。這樣的物質具有一種內稟的時間規律,晶體的模式會在其物理特性中不斷地來回變化,就像一種永遠重複的心跳,這非常類似於永動機的概念。也正因如此,維爾切克本人也意識到了他所提出的時間晶體理論在這一點上非常奇怪。

在食鹽等普通晶體(左)中,原子以重複的模式排列。相鄰原子之間的相互作用可以使晶體保持剛性。時間晶體具(右)有同樣的剛性模式,但它的重複模式不是出現在空間中,而是在時間維度上。這種重複有點像地球的四季,一年一次,就像時鍾一樣精準。
在食鹽等普通晶體(左)中,原子以重複的模式排列。相鄰原子之間的相互作用可以使晶體保持剛性。時間晶體具(右)有同樣的剛性模式,但它的重複模式不是出現在空間中,而是在時間維度上。這種重複有點像地球的四季,一年一次,就像時鍾一樣精準。

  在維爾切克提出時間晶體的概念後不久,曾有物理學家證明這類“永動”的晶體的確不可能存在。但2016年,一些研究曾表明,時間晶體可以在存在某種外部驅動力的情況下存在,這又讓科學家看到了一絲希望。

  直到2019年年底,一篇最新研究提出了一種可以在完全與環境隔絕的條件下創造時間晶體的方法。與以往需要激光脈衝來啟動自旋振盪的實驗不同,在新的研究中,研究人員證明了在沒有激光或其他外力的情況下,也有可能繞過熱力學約束的限製,製造出時間晶體。在“可能”與“不可能”的博弈中,時間晶體最終被創造了出來,維爾切克的思想也得到了證實。

  還有一些“不可能”的可能性則來自對定義不同的理解和利用,比如負溫度。

  1906年,德國化學家沃爾特·能斯特提出熱定理,該定理指出,當完整晶體接近0開爾文的絕對零度時,系統的熵也趨於零。1912年,能斯特進一步用不可達性原理(unattainability principle)完善了理論,也就是說,絕對零度在物理上是無法達到的。它們共同構築了現代熱力學第三定律。

  在開爾文溫標上,溫度是由粒子的動能決定的,粒子慢速運動的氣體比粒子快速運動的氣體更冷,而絕對零度代表著粒子完全停止運動,所以無法低於絕對零度似乎是符合邏輯的。但是,科學家發現,如果換一種方式理解,其實還可以跳到它的下面。

  根據嚴格的熱力學定義,溫度還是一種秩序的量度,它取決於粒子能量在氣體中的分佈方式。也就是說,越平靜、越有序的東西,其溫度就越低。

  在正溫度下,增加更多能量意味著更多增加更多熵。比如,為了使水沸騰,我們需要向水中增加能量。在加熱過程中,水分子的動能隨著時間的推移而增加,它們平均的移動速度也更快。然而,單個分子擁有不同的動能,它們有的非常慢,有的則特別快。在熱平衡中,低能態比高能態更有可能,也就是說,只有少數粒子運動得很快。這種分佈稱為玻爾茲曼分佈。

玻爾茲曼分佈可以用分佈在“丘陵景觀”的“球”來說明,這種景觀為球的勢能提供了上限和下限。正溫度(左)遵循一般的玻爾茲曼分佈。在無限溫度下(中),球均勻地分佈在景觀中的低能量山穀和高能量山峰上。此時所有的能量態都具有同樣的可能。然而,在負溫度(右)下,大多數球會在山頂上遊蕩,達到勢能的上限。它們的動能也是最大的。總能量大的能量態比總能量小的能量態佔據更多。
玻爾茲曼分佈可以用分佈在“丘陵景觀”的“球”來說明,這種景觀為球的勢能提供了上限和下限。正溫度(左)遵循一般的玻爾茲曼分佈。在無限溫度下(中),球均勻地分佈在景觀中的低能量山穀和高能量山峰上。此時所有的能量態都具有同樣的可能。然而,在負溫度(右)下,大多數球會在山頂上遊蕩,達到勢能的上限。它們的動能也是最大的。總能量大的能量態比總能量小的能量態佔據更多。

  2013年,德國慕尼黑路德維希馬克西米利安大學的物理學家利用激光操縱了一些接近絕對零度的原子。在這種原子氣體中,能量與熵的相關性被打破,玻爾茲曼分佈被顛倒了,許多粒子具有很高的能量,只有少數粒子具有較低的能量。這種能量分佈的反轉意味著粒子具有負絕對溫度。

傳統的正溫度依賴於能量和熵的共同增加。但當熵降低時,物體溫度也可能會更熱,這種溫度在開爾文標度上是負的。
傳統的正溫度依賴於能量和熵的共同增加。但當熵降低時,物體溫度也可能會更熱,這種溫度在開爾文標度上是負的。

  當然,不得不說,這有些“作弊”。絕對零度仍然代表著一個系統所能擁有的最低能量,只是開爾文溫標未必能反映這一點。這樣負溫度在生活層面可能沒那麼有用。但它可能有助於我們研究暗能量,這種神秘的物質正不斷“撕裂”著宇宙。而一些科學家認為,暗能量可能具有負溫度。

  還有一些看似的“不可能”,事實上反映的是我們的“不知道”。

  1928年,保羅·狄拉克預言了反粒子的存在。4年後,卡爾·安德森首先發現了電子的反粒子——正電子,證實了狄拉克的預言。

  我們知道,通常情況下,當物質與其對應的反物質接觸時,兩者會在突然的能量爆發中湮滅。從理論上來說,在宇宙大爆炸之後,會產生等量的物質和反物質,所以它們應當全部湮滅。但(對我們來說)幸運的是,不知出於什麼原因,我們的宇宙最終充滿了物質,而反物質卻少之又少,讓這個宇宙有了接下來138億年的故事。

  然而奇怪的是,物理學家發現,有些物質可能也是自身的反物質,馬約拉納費米子就是它們自身的反粒子,能夠在適當的條件下自我湮滅。這種假想粒子首先由埃托雷·馬約拉納於1937年提出。物理學家一直懷疑,神秘的中微子可能屬於這一類粒子。

  要揭開這個謎題,意味著需要找到宇宙中一種非常罕見的過程,被稱為無中微子雙β衰變。可以這麼理解,雙β衰變可以讓原子核內的兩個中子衰變為兩個質子,並產生兩個電子和兩個反中微子。如果中微子是馬約拉納粒子,雙β衰變釋放的兩個反中微子就會相互“抵消”。發現雙β衰變不僅能夠揭開中微子的“身世”,還能夠回答造成物質和反物質之間不平衡的根源。

  越來越多的研究似乎正帶領我們接近答案,雖然物理學家一直沒有在宇宙中找到馬約拉納費米子,但也不斷有報導表明,他們在實驗室里製造出了類似的物質。當一個電子被從超導體中拉出時,會留下一個空穴,這個空穴就像是一個質量相同的帶正電的粒子。如果以正確的方式操縱這兩個粒子,它們就可以像馬約拉納粒子一樣作用。

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