《愛麗絲漫游奇境》的科學迷思

李青

盛夏的一天，愛麗絲陪姐姐懶洋洋地坐在河邊，為了打發時光，她起身去采野菊花。突然，一只穿著馬甲、手拿懷表的紅眼睛大白兔跑過來，而且嘴里還嘟嘟囔囔地說著什么，這下子愛麗絲精神了，她悄悄地跟在兔子后面，跑過草地，跳進了一個兔子洞，從此開始了她的奇妙旅行。這就是劉易斯·卡羅爾筆下的《愛麗絲漫游奇境》—一部無國界、無學界、老少皆宜的世界童話經典，它尤其受到學者們的青睞。卡羅爾的原名叫查爾斯·路特維奇·道奇森（Charles Lutwidge Dodgson），是英國牛津大學的數學老師，他擅長幾何、邏輯、詩歌還有攝影。這本書自1865年出版以來，至今已有150多年的歷史了，可它的魅力卻經久不衰。無論是在文學、語言和藝術方面，還是在哲學和科學方面，這部作品都能帶給我們無窮的思考樂趣。今天我們不妨就聊聊和《愛麗絲漫游奇境》有關的幾個科學話題吧。

穿過地心的兔子洞

只顧著好奇，愛麗絲不管三七二十一，跟著兔子跳進了洞里。她慢慢地往下落，可好像停不下來，她懷疑自己可能會掉到地球的中心，至少能到新西蘭或者澳大利亞吧。可掉呀，掉呀，還是不停，她又開始懷疑自己會不會掉到地球的另一端。如果愛麗絲真的跳進了一個能穿過地球中心的洞，會怎樣呢？其實，希臘哲學家普魯塔克（Plutarch）就曾提出過這個問題，英國哲學家弗朗西斯·培根和法國哲學家伏爾泰也曾為此爭論過。被后人譽為“近代科學之父”的意大利物理學家伽利略在他1632年出版的《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中就給出過正確答案。

因為地球是個不均勻的球體，而且有自轉和公轉現象，所以實際情況有點復雜。簡單地說，就是物體從地球一端落下，在落到地心之前，速度越來越快，向下的加速度越來越小，地球表面的加速度是9.8米/平方秒。當物體穿過地球中心時，加速度變成0，此時速度最快。接著呢，物體會繼續下落，不過，速度越來越慢，反向加速度越來越大，直到物體降落到地球的另一端，加速度又變成了9.8米/平方秒，速度降到0。此時，因為地心引力，物體又會朝著地心的方向落去。如果不考慮空氣阻力，也不考慮地球旋轉產生的科里奧利力的話，愛麗絲會在這個穿過地心的兔子洞里像彈簧一樣彈上來彈下去，永遠出不去啦！如果考慮空氣阻力呢，愛麗絲會在洞里晃上晃下，最后停在地心（真空條件下，從地球一端到另一端的旅行需要38分鐘，如果有空氣阻力，大約需要兩天半的時間）。

忽隱忽現的柴郡貓

愛麗絲在公爵夫人家遇見了一只奇怪的大貓，它能突然閃現，也能突然消失，最神奇的是它能隱身，只顯現露齒微笑的嘴巴，這就是柴郡貓。這只貓特別有名，是因為經常被科學家用來作一些科學現象的隱喻。還記得愛麗絲看到柴郡貓趴在樹上忽隱忽現的情景嗎？她驚訝地說：“我常常看見沒有笑臉的貓，可從未見過不見貓的笑臉呢，這是我碰到過最奇怪的事兒了！”從哲學角度看，這其實表明了貓的兩種狀態：顯形的貓是貓的具體狀態，露著牙齒的嘴巴是貓的抽象狀態。美國數學家馬丁·加德納在描述數學方程與其應用的關系時，最喜歡用柴郡貓打比方了。他認為，數學方程能用來構建物理世界，但方程本身是抽象的，沒有實際意義，這就好比我們只看見了露齒微笑的嘴巴，卻不知道那是誰的嘴巴。但是，如果能用方程幫助我們解釋世界、認知自然，那就好比讓我們看到了一只完整的貓。

尋找現實中的“量子柴郡貓”

在異想天開的童話世界里，柴郡貓的嘴巴可以和它的身體分開，但在宏觀的物理世界里，這種事情似乎不可能發生，因為嘴巴是貓的一個屬性，就像我們不可能把一個旋轉的球和旋轉分開一樣。那在微觀的物理世界里，物質及其屬性到底能不能分開呢？有沒有像柴郡貓這樣的物質呢？

20世紀90年代，以色列的理論物理學家亞基爾·阿哈羅諾夫

（Yakir Aharonov）提出了粒子

的屬性可以和粒子分離的觀點，并開始了尋找粒子之旅。阿哈羅諾夫大概是卡羅爾的鐵桿粉絲吧，對他筆下的柴郡貓十分癡迷，于是就給要找的這個粒子起名為“量子柴郡貓”。2001年，美國的杰夫·托拉克森（Jeff Tollaksen）提出該理論的可行性;2014年，多國物理學家在法國的勞厄-朗之萬研究所成功地將中子和它的磁矩分離，從而第一次用實驗證明了“量子柴郡貓”的存在。

他們先用一個晶體把一束中子分成兩束，接著給每束中子加上一樣的磁場。因為中子有磁矩，所以會因外磁場的作用而改變方向。因此，加上磁場以后，它們朝反方向旋轉。然后，再分別給它們加上另外一個磁場和干涉儀，刻意改變中子的運動狀態后，奇跡便發生了：中子和它的磁性被分開了！這就好像讓柴郡貓穿過晶體，加上磁場，再經過干涉儀，貓和它的嘴巴分開了一樣。你看，微觀的量子世界跟我們眼睛看到的世界多么得不同！

既死又活的 “薛定諤的貓”

除了“量子柴郡貓”，我們再來說說物理界另外一只著名的貓—“薛定諤的貓”。薛定諤是奧地利物理學家，這只貓因為是他1935年量子理論思想實驗中的主角而得名。根據量子理論，微小的粒子在同一時刻可以具有不同的物理狀態，比如一個電子能同時朝相反的兩個方向旋轉，粒子的這種屬性我們叫作“疊加態”。根據這個理論，薛定諤放進密閉盒子里的貓，同時既是活貓，也是死貓。一只貓要么是死的，要么是活的，怎么會同時存在生和死兩個狀態呢？這是不是太不可思議了？可是，在量子物理的世界里這種怪事兒偏偏就發生了！

不難看出，阿哈羅諾夫的“量子柴郡貓”受到了“薛定諤的貓”的啟發，不過，關在盒子里的薛定諤的貓生死未卜，揪著大家的心;而“量子柴郡貓”就幸運多了，它的確能和嘴巴分離而獨立存在，而且我們找到了這樣的粒子，夢想最終成為現實！

再多一點好奇心吧

最后來說說好奇心。在“瘋狂下午茶”一章里，瘋帽子先生從衣袋里掏出一塊懷表想看看時間。他晃了晃表，發現表停了，于是問愛麗絲“今天是幾號？”愛麗絲想了想說：“四號。”愛麗絲又好奇地抬起頭瞧了瞧那塊表，發現它只“顯示幾日，卻不顯示幾點”，覺得很奇怪。瘋帽子先生反問愛麗絲：“為什么一定要告訴幾點呢？你的表能告訴你現在是哪年嗎？”瘋帽子先生的這個問題乍聽上去是不是很可笑？可你想過嗎，我們平時看到的表上為什么沒有年呢？時間到底是什么？偉大的物理學家愛因斯坦曾經說過：“邏輯能讓你從A點推導到B點，可想象力卻能讓你天馬行空。”所以，凡事最好多問幾個為什么。

愛麗絲因為好奇，跳進了兔子洞，而“好奇心”這個詞貫穿了整個故事的始終。讓我們也插上好奇的翅膀，翱翔于奇妙的世界，不斷挑戰對世界的認知。多一點好奇心，再多一點好奇心吧！