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第7部分

子力學和不確定性原理問題的一部分是由下面的事實引起的,他習慣於系統具有確定歷史的通常概念。一顆粒子不是處於此處便是處於他處。它不可能一半處於此處另一半處於他處。類似的,諸如航天員登上月球的事件要麼發生了要麼沒有發生。它有點和你不能稍微死了或者稍微懷孕的事實相似。你要麼是要麼不是。但是,如果一個系統具有單獨確定的歷史,則不確定性原理就導致所有種類的二律背反,譬如講粒子同時在兩處或者航天員只有一半在月亮上。

美國物理學家裡查德·費因曼提出了一種優雅的方法,從而避免了這些如此困擾愛因斯坦的二律背反。費因曼由於1948年的光的量子理論的研究而舉世聞名。1965年他和另一位美國人朱裡安·施溫格以及日本物理學家朝永振一郎共獲諾貝爾獎。但是,他和愛因斯坦一脈相承,是物理學家之物理學家。他討厭繁文縟禮。因為他覺得美國國家科學院花費大部分時間來決定其他科學家中何人應當選為院士,所以他就辭去院士位置。費因曼死於1988年,他由於對理論物理的多方面貢獻而英名長存。他的貢獻之一即是以他命名的圖,這幾乎是粒子物理中任何計算的基礎。但是他的對歷史求和的概念甚至是一個更重要的貢獻。其思想是,一個系統在時空中不止有一個單獨的歷史,不像人們在經典非量子理論中通常假定的那樣。相反的,它具有所有可能的歷史。例如,考慮在某一時刻處於A點的一顆粒子。正常情形下,人們會假定該粒子從入點沿著一根直線離開。然而,按照對歷史求和,它能沿著從A出發的任何路徑運動。它有點像你在一張吸水紙上滴一滴墨水所要發生的那樣。墨水粒子會沿著所有可能的路徑在吸水紙上彌散開來。甚至在你為了阻斷兩點之間的直線而把紙切開一個縫隙時,墨水也會繞過切口的角落。

粒子的每一個路徑或者歷史都有一個依賴其形狀的數與之相關。粒子從A走到B的機率可由將和所有從A到B粒子的路徑相關的數疊加起來而得到。對於大多數路徑,和鄰近路徑相關的數幾乎被相互抵消。這樣,它們對粒子從A走到B的機率的貢獻很小。但是,直線路徑的數將和幾乎直線的路徑的數相加。這樣,對機率的主要貢獻來自於直線或幾乎直線的路徑。這就是為什麼粒子在透過氣泡室時的軌跡看起來幾乎是筆直的。但是如果你把某種像是帶有一個縫隙的一堵牆的東西放在粒子的路途中,粒子的路徑就會彌散到縫隙之外。在透過縫隙的直線之外找到粒子的機率可以很高。

1973年我開始研究不確定性原理對於處在黑洞附近彎曲時空的粒子的效應。引人注目的是,我發現黑洞不是完全黑的。不確定原理允許粒子和輻射以穩定的速率從黑洞漏出來。這個結果使我以及所有其他人都大吃一驚,一般人都不相信它。但是現在回想起來,這應該是顯而易見的。黑洞是空間的一個區域,如果人們以低於光速的速度旅行就不可能從這個區域逃逸。但是費因曼的對歷史求和說,粒子可以採取時空中的任何路徑。這樣,粒子就可能旅行得比光還快。粒子以比光速更快的速度作長距離運動的機率很低,但是它可以以超光速在剛好夠逃逸出黑洞的距離上運動,然後再以慢於光速的速度運動。不確定原理以這種方式允許粒子從過去被認為是終極牢獄的黑洞中逃逸出來。對於一顆太陽質量的黑洞,因為粒子必須超光速運動幾公里,所以它逃逸的機率非常低。但是可能存在在早期宇宙形成的小得多的黑洞。這些太初黑洞的尺度可以比原子核還小,而它們可有十億噸的質量,也就是富士山那麼大的質量。它們能發射出像一座大型電廠那麼大的能量。如果我們能找到這樣小黑洞中的一個並能駕馭其能量該有多好!可惜的是,在宇宙四周似乎沒有很多這樣的黑洞。

黑洞輻射的預言是把愛因斯坦廣義相對論和量子原理合並的第一個非平凡的結果。它顯示引力坍縮並不像過去以為的那樣是死亡的結局。黑洞中粒子的歷史不必在一個奇點處終結。相反的,它們可以從黑洞中逃逸出來,並且在外面繼續它們的歷史。量子原理也許表明,人們還可以使歷史避免在時間中有一個開端,也就是在大爆炸處的創生的一點。

這是個更困難得多的問題。因為它牽涉到把量子原理不僅應用到在給定的時空背景中的粒子路徑,而且應用到時間和空間的結構本身。人們需要做的是一種不僅對粒子的而且也對空間和時間的整個結構的歷史求和的方法。我們還不知道如何恰當地進行這種求和,但是我們知道它應具有的某些特徵。其中之一便是,如果人們處理在所謂的虛時間裡,而不是在通常的實時間裡的歷史,那麼求和