《愛麗絲漫游奇境》的科學(xué)迷思

李青

盛夏的一天，愛麗絲陪著姐姐懶洋洋地坐在河邊，為了打發(fā)時(shí)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，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(jìn)了一個(gè)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(xué)界、老少皆宜的世界童話經(jīng)典，尤其受到學(xué)者們的青睞。卡羅爾的原名叫查爾斯·路特維奇·道奇森，是英國牛津大學(xué)的數(shù)學(xué)老師，他擅長幾何、邏輯、詩歌還有攝影。無論是在文學(xué)、語言和藝術(shù)方面，還是在哲學(xué)和科學(xué)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(guān)的幾個(gè)科學(xué)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(jìn)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(huì)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，就是不停，她又開始懷疑自己會(huì)不會(huì)掉到地球的另一端。如果愛麗絲真的跳進(jìn)了一個(gè)能穿過地球中心的洞，會(huì)怎樣呢？其實(shí)，希臘哲學(xué)家普魯塔克就曾提出過這個(gè)問題，英國哲學(xué)家弗朗西斯·培根和法國哲學(xué)家伏爾泰也曾為此爭論過。被后人譽(yù)為“近代科學(xué)之父”的意大利物理學(xué)家伽利略，在他1632年出版的《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》中就給出過正確答案。

因?yàn)榈厍蚴莻€(gè)不均勻的球體，而且有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)現(xiàn)象，所以實(shí)際情況有點(diǎn)復(fù)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(dāng)物體穿過地球中心時(shí)，加速度變成0，此時(shí)速度最快。接著物體會(huì)繼續(xù)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(shí)，因?yàn)榈匦囊Γ矬w又會(huì)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(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力的話，愛麗絲會(huì)在這個(gè)穿過地心的兔子洞里像彈簧一樣彈上來彈下去，永遠(yuǎn)出不去啦！如果考慮空氣阻力呢，愛麗絲會(huì)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(shí)間）。

忽隱忽現(xiàn)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(xiàn)，也能突然消失，最神奇的是它能隱身，只顯現(xiàn)露齒微笑的嘴巴，這就是柴郡貓。這只貓?zhí)貏e有名，是因?yàn)榻?jīng)常被科學(xué)家用來做一些科學(xué)現(xiàn)象的隱喻。從哲學(xué)角度看，這其實(shí)表明了貓的兩種狀態(tài)：顯形的貓是貓的具體狀態(tài)，露著牙齒的嘴巴是貓的抽象狀態(tài)。美國數(shù)學(xué)家馬丁·加德納在描述數(shù)學(xué)方程與其應(yīng)用的關(guān)系時(shí)，最喜歡用柴郡貓打比方了。他認(rèn)為，數(shù)學(xué)方程能用來構(gòu)建物理世界，但方程本身是抽象的，沒有實(shí)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(rèn)知自然，那就好比讓我們看到了一只完整的貓。

尋找現(xiàn)實(shí)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(fā)生，因?yàn)樽彀褪秦埖囊粋€(gè)屬性，就像我們不可能把一個(gè)旋轉(zhuǎn)的球和旋轉(zhuǎn)分開一樣。那么在微觀的物理世界里，物質(zhì)及其屬性到底能不能分開呢？有沒有像柴郡貓這樣的物質(zhì)呢？

20世紀(jì)90年代，以色列的理論物理學(xué)家亞基爾·阿哈羅諾夫提出了粒子的屬性可以和粒子分離的觀點(diǎn)，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(duì)他筆下的柴郡貓十分癡迷，于是就給要找的這個(gè)粒子起名為“量子柴郡貓”。2001年，美國的杰夫·托拉克森提出該理論的可行性;2014年，多國物理學(xué)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(shí)驗(yàn)證明了“量子柴郡貓”的存在。

他們先用一個(gè)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(chǎng)。因?yàn)橹凶佑写啪兀詴?huì)因外磁場(chǎng)的作用而改變運(yùn)動(dòng)方向。因此，加上磁場(chǎng)以后，它們開始朝反方向旋轉(zhuǎn)。然后，再分別給它們加上另外一個(gè)磁場(chǎng)和干涉儀，在刻意改變中子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，奇跡便發(fā)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(chǎng)，再經(jīng)過干涉儀，貓和它的嘴巴分開了一樣。你看，微觀的量子世界跟人眼所看到的世界是多么的不同！

既死又活的“薛定諤的貓”

除了“量子柴郡貓”，我們?cè)賮碚f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(xué)家，這只貓因?yàn)槭撬?935年量子理論思想實(shí)驗(yàn)中的主角而得名。根據(jù)量子理論，微小的粒子在同一時(shí)刻可以具有不同的物理狀態(tài)，比如一個(gè)電子能同時(shí)朝相反的兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，粒子的這種屬性叫作“疊加態(tài)”。根據(jù)這個(gè)理論，被薛定諤放進(jìn)密閉盒子的貓，既是活貓，也是死貓。一只貓要么是死的，要么是活的，怎么會(huì)同時(shí)存在生和死兩個(gè)狀態(tài)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(fā)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(fā)，不過，關(guān)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(yùn)多了，它的確能和嘴巴分離而獨(dú)立存在，而且我們找到了這樣的粒子，夢(mèng)想最終成為現(xiàn)實(shí)！

再多一點(diǎn)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(shí)間。他晃了晃表，發(fā)現(xiàn)表針停了，于是問愛麗絲：“今天是幾號(hào)？”愛麗絲想了想說：“4號(hào)。”愛麗絲又好奇地抬起頭瞧了瞧那塊表，發(fā)現(xiàn)它只“顯示幾日，卻不顯示幾點(diǎn)”，便覺得很奇怪。瘋帽子先生反問愛麗絲：“為什么一定要顯示幾點(diǎn)呢？你的表能告訴你現(xiàn)在是哪年嗎？”瘋帽子先生的這個(gè)問題乍聽上去是不是很可笑？可你想過嗎，我們平時(shí)看到的表上為什么沒有年份呢？時(shí)間到底是什么？偉大的物理學(xué)家愛因斯坦曾經(jīng)說過：“邏輯能讓你從A點(diǎn)推導(dǎo)到B點(diǎn)，可想象力卻能讓你天馬行空。”所以，凡事最好多問幾個(gè)為什么。

愛麗絲因?yàn)楹闷妫M(jìn)了兔子洞，而“好奇心”這個(gè)詞貫穿了整個(gè)故事的始終。