黃志洵

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

1 引言

每個人都關(guān)心自己的未來(事業(yè)前途、身體狀況、投資風險、婚戀前景等等)，與此同時人們也關(guān)心國家的乃至世界的未來。然而通常認為預(yù)測未來是不可能的，“算命先生”所說的話只是一派胡言，是為了金錢而實施詐騙。……但我們的認識不能停留在這個雖然正確但卻初級的層次，因為人類社會實際上已經(jīng)離不開對未來的預(yù)測——典型的例子是氣象臺的“天氣預(yù)報”。根據(jù)氣象預(yù)測資料，應(yīng)用天氣學(xué)、大氣動力學(xué)、大氣熱力學(xué)、氣象統(tǒng)計學(xué)的原理和方法，對某區(qū)域或某地點在未來一段時間的天氣狀況作定性或定量的預(yù)測，這就是天氣預(yù)報。世界上第一個發(fā)布天氣預(yù)報的國家是荷蘭，時在1860年[1]。百年后(1960年4月1日)美國的氣象衛(wèi)星首次發(fā)射成功；在同一時期Doppler雷達被用于氣象探測。加上電子計算機的使用，這一切大大改善了天氣預(yù)報的質(zhì)量?，F(xiàn)時的天氣預(yù)報是大體正確而又不完全正確，盡管如此它已是人們生活中不可缺少的信息資料?！秩?，政府機構(gòu)需要預(yù)測未來的人口數(shù)量、水資源消耗等情況；聯(lián)合國想知道未來發(fā)生“小行星撞地球”的幾率有多大；如此等等。2014年7月有報道說，衛(wèi)星可提前11個月預(yù)報嚴重洪災(zāi)。

總之，在“在科學(xué)的基礎(chǔ)上預(yù)測未來”是可以實現(xiàn)的，雖然尚不能精確報告未來發(fā)生的事件。英國牛津大學(xué)(Oxford University)設(shè)有人類未來研究所，是我們能夠理解的事情。與過去的常見文章不同，我們的討論將避開“依靠相對論討論時間旅行”的模式，也不對時間的本質(zhì)作哲學(xué)探討。本文將從電磁理論中的d’Alembert解開始，逐步深入下去進行探索。

2 超前波：從幕后走到臺前

在18世紀數(shù)學(xué)家曾致力于弦振動問題的研究，這與音樂的發(fā)展有關(guān)，例如人們感興趣于小提琴弦的振動。法國數(shù)學(xué)家J.d’Alembert于1746年的論文“張緊的弦振動時形成的曲線的研究”，實際上是討論后來稱為1維波方程的2階偏微分方程：

(1)

式中z是弦長方向，t是時間，f=f(z，t)是振動變量。方程等式左邊是函數(shù)的空間關(guān)系，右邊是函數(shù)的時間關(guān)系，整個方程反映弦上波動的時空關(guān)系。常數(shù)v與弦的材料、質(zhì)量有關(guān)。由于弦固定在端點z=0及z=l之間(l為弦長)，故解需滿足邊界條件f(0，t)=0及f(l，t)=0；此外還有解應(yīng)當滿足的初始條件。d’Alembert巧妙地解這個方程，結(jié)果是該偏微分方程的每個解都是(vt+z)及(vt-z)的函數(shù)之和。在滿足邊界條件及初始條件時，他把解寫作

(2)

數(shù)學(xué)家L.Euler在1748至1755年間也研究了弦振動問題，他的結(jié)果表述略有不同：

(3)

在這里f是與橫坐標z對應(yīng)的縱坐標；Euler給出下述特解：

(4)

此外還論述了模式和模式迭加的概念。

有趣的是，d’Alembert、Euler和Bernoulli三位數(shù)學(xué)家就弦振動的數(shù)學(xué)理論進行過長達10年的辯論，后來Lagrange也加入了討論[2]。后人總結(jié)性地把(3)式稱為1維波方程的d’Alembert解。我們知道1760年Euler提出了3維波方程：

(5)

=(6)

式中ψ是波函數(shù)(用后來的名稱)，實際上是電場強度或磁場強度。以上發(fā)展證明了自然規(guī)律的一致性。很自然，人們會把d’Alembert解沿用到電磁理論領(lǐng)域。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

在球坐標條件下可寫作

(13)

這個1維波方程其實是前述的弦振動方程，通解為

(14)

參考極端情況(靜電場)就可寫出

(15)

多年來科學(xué)界的作法都是拋棄超前解，因為人們認為它表示“在源起作用之前就能觀察到結(jié)果”，違反了因果律(causality，筆者將其譯作因果性)。而且通常認為“波由外界向源匯聚”沒有道理。但是，在1941年出版的名著《Electromagnetic Theory》中，J.Stratton[4]卻對此有所保留。他指出，在這個問題上應(yīng)用邏輯上的因果原理是“站不住腳的”；如果拋棄超前解，也只是因為滯后解才與實驗結(jié)果相符合?！纱丝梢钥闯?，如果Stratton了解到近年來已有眾多的負波速實驗成功[5-16]，在實驗室中觀察到超前波已不是一件困難的事，那么在今天他也會認為超前解存在是合理的，不應(yīng)當被拋棄。

1992年J.Gleick[17]指出，物理學(xué)家通常會停留在滯后解上面，因為超前波在時間上是倒著運行，在發(fā)射出來之前就被接收到，令人難以理解。但超前波與任何波并無不同，只是它會向源頭會聚集中。Gleick回顧說，1940年作為研究生的R.Feynman就電子自作用和互作用問題與他的導(dǎo)師J.Wheeler討論，后者建議他考慮超前波。結(jié)果是他們二人提出了“吸收者理論”(theory of absorber)，筆者認為吸收者一詞其實就是我們都熟悉的負載作用(loading action)?！?945年J.Wheeler和R.Feynman[18]在其論文“作為輻射機制的與吸收者的相互作用”中，堅持認為必須考慮Maxwell方程的兩個解——滯后解和超前解；并稱后者為“the advanced Lienard-Wiechert solutions of Maxwell equations”，正是它造成了“物理作用的超前效應(yīng)”(advanced effects of action)。不過筆者覺得他們當時還是非常小心慎重地提出有關(guān)概念的，這可由他們建議的下述關(guān)系式中看出：

(16)

并說等式右方的前項是與粒子電磁質(zhì)量(按Lorentz的說法)相對應(yīng)的，后項造成輻射作用的力?！瓘慕裉旒?014年的觀點來看，此論文邁出的步子不大，避免說超前場可以單獨存在(甚至在某種情況下起突出的作用)，而是像一個仆人躲在主人(滯后場)的身邊。但無論如何，這是一個呼吁(“不要拋棄超前解”)，且與Stratton的想法相呼應(yīng)；因此今天我們說“懷念Wheeler和Feynman”仍是有充足理由的！

2000年英國名刊《Nature》發(fā)表了王力軍小組完成的“光脈沖以負群速(NGV)通過銫氣小室(cell)”的超光速實驗，即WKD實驗[6]，它引發(fā)了爭論。筆者曾兩次邀請王力軍從國外回北京在學(xué)術(shù)會議上報告他的工作，又曾多次發(fā)表我對WKD實驗的看法[19-22]，此處不贅述。這里只敘述2002年劉遼[23]發(fā)表的觀點。他首先講對WKD實驗的理解——在銫(Cs)原子氣室的反常色散區(qū)群折射率(群速指數(shù))為

(17)

式中n=n(f)是相折射率；故光脈沖群速為負速度：

(18)

式中c是真空中光速；故光脈沖經(jīng)過cell的時間為

(19)

式中L是小室長度(L=6cm)；由于Δt=tout-tin，故上式表示tout

筆者認為資深相對論學(xué)者劉遼教授的論文有重要意義，它敏銳地提出負群速(NGV)實驗就是超前波存在的證明，與此同時又對Causality作出了新的定義和詮釋；這兩點是該文的主要貢獻。不足之處也有兩條：首先，文章說WKD實驗結(jié)果vg雖為負，但如取絕對值，是亞光速(|vg|=c/310c)乃至負群速(vg<0)表明超前解是可以“經(jīng)常在起作用”的。

盡管如此，我們?nèi)匀徽J為劉遼文章是一篇出色的論文。結(jié)合在他之前與之后的科學(xué)界各種進展，我們可以說“超前波從幕后走到了臺前”，甚至已經(jīng)走到了聚光燈下。

3 “前往未來”的可實現(xiàn)性

劉遼文章不僅承認WKD實驗“對通常理解的因果律的時序的絕對性提出了挑戰(zhàn)”，而且認為該實驗是“人們首次在實驗室中實現(xiàn)了某種類型的時間機器”。這個觀點不僅有趣，而且應(yīng)看成該文的另一項貢獻。眾所周知，1895年H.G.Wells最早提出了時間機器的設(shè)想(以科幻小說的形式)，自那以后百余年來成為經(jīng)久不衰的話題。由于時間機器，人類可以自由地從現(xiàn)在回到過去或前往未來。

2000年劉遼在接見記者時說，中國古代思想家惠施早在約公元前300年就提出了時間旅行的概念——“今日適越而昔來”，意思是說今天出發(fā)去“越”地，昨天就到達了；如何能實現(xiàn)“到達早于出發(fā)”？只有逆時間而行。他還說，要想制造蟲洞(wormholes)來實現(xiàn)時空旅行，要有大量的負能量。宇宙中雖有負能物質(zhì)，但非常少；而用宏觀方法是無法制造負能量的，只能用微觀的(量子力學(xué))方法獲得，但數(shù)量極其微小。想循此制造時間機器極為困難。

近年來有理論物理學(xué)家提出時間旅行的各種設(shè)想方案。然而筆者注意到一個有趣的現(xiàn)象：經(jīng)常有人認為“前往未來”要比“回到過去”容易。這樣說是有道理的，筆者認為有三方面的原因；首先，“回到過去”總是面臨重大的邏輯難題——例如“祖父悖論”，假如時間旅行者(time traveler)回到過去殺死了未婚的祖父，那么他自己便不會出生；既然他并不存在，那么他也不可能回到過去提前殺死祖父；如是繼續(xù)……。雖然不斷有理論物理學(xué)家作出努力想繞開這個困難，但至今仍然缺少真正有力量的論述出現(xiàn)。其次，人類在“現(xiàn)在”的現(xiàn)實存在是另一個對預(yù)測未來有利的因素。人的存在意味著已有海量的知識積累，它們是對客觀規(guī)律的認識和總結(jié)；假如物理過程大體上循著線性化方向發(fā)展，據(jù)此就可以從現(xiàn)狀推測將來。更何況人們已掌握了許多先進的科技儀器和方法，可以幫助人們認識未來將會發(fā)生的情況——天氣預(yù)報技術(shù)的改進就是一個很好的例子。

另外，我們必須著重指出，目前在各國實驗室中大量進行的負波速(主要是負群速NGV)實驗，本質(zhì)上是超前波實驗，已包含了“進入未來”的意蘊。即使只有若干ns的量級，但由于在時間上超前，當然也就是微小地進入未來。正因為如此，劉遼才說NGV實驗(以WKD實驗為例)是“人們首次在驗室中實現(xiàn)了某種類型的時間機器”；這是一位物理學(xué)家的正確判斷。……雖然也有人提出NGV實驗中是否攜帶信息的問題，但這已是更深層次的問題——我們?nèi)缂饶軓奈磥?提前)獲得信息，又能從現(xiàn)在向未來發(fā)送信息，這是一種理想境界。

以上給出了“前往未來”比“回到過去”容易實現(xiàn)的一些理由?，F(xiàn)在我們提出另一個論據(jù)，即所謂“暫停生命”的方法——如果用最先進的科技手段(如超低溫方法)使人的生命“暫停”(但卻未死亡)，那么從理論上講或許能使人“訪問”百年甚至數(shù)百年以后的世界。這雖然極其困難，但卻是一種從概念上可以成立的“前往未來”的方法，突破了目前人的壽命限制。

總之，“前往未來”與“回到過去”是不同的，前者更具有可實現(xiàn)性；這是本文的基本觀點。……然而，“前往未來”也是有悖論的——某人預(yù)知在未來會發(fā)生不好的事情，遂提前采取措施避免其發(fā)生；這樣，該事情最終沒有發(fā)生。但在“什么都未發(fā)生”的過程中，該人又怎能知道“那件事情有可能發(fā)生”呢？別人無法判斷，究竟是由于該人采取了預(yù)防措施而使其本來會發(fā)生而沒有發(fā)生，還是根本就沒有發(fā)生該事的可能性，那些措施全是無的放矢？如何避免悖論是一個待研究的問題?！詈笪覀儽仨氄f，本節(jié)是把兩個層次的事情(預(yù)知未來和前往未來)混合討論了；但這兩者卻是很不相同的！

4 確定性、因果性、非線性和突變性

把現(xiàn)有規(guī)律線性地延伸到將來從而“預(yù)測未來”，可能是有問題的，因此需要進行更深入的討論。有一個科學(xué)名詞叫確定性，英文為definity或certainty。這是一種信念，認為大自然在本質(zhì)上可以預(yù)測：一切事件都由一個在先的原因所決定，并遵循一定規(guī)律。問題僅在于找到那個規(guī)律及掌握初始狀態(tài)，則由現(xiàn)在可以精確地推出未來[27]。1814年P(guān).Laplace說：“世界的未來可以由其過去決定；只要掌握世界在任一給定時刻的狀態(tài)(用數(shù)學(xué)表示)，就能預(yù)測未來”。這是確定論因果性的典型觀點。19世紀末J.H.Poincarè發(fā)現(xiàn)，一些微分方程(例如Hamilton方程類型)的可解性及解值敏感地依賴于其初始條件——后者的微小變化可以導(dǎo)致解值巨變或無解。這一發(fā)現(xiàn)使“可預(yù)測性”不成為規(guī)律，在哲學(xué)觀上與Laplace相對立。因此Poincarè走向了非確定論，該理論認為系統(tǒng)的狀態(tài)中任意小的不確定因素可能會逐步變大致使未來不可預(yù)測。Poincarè有一個貢獻是對三體問題進行研究，從而在天體軌道的分析中發(fā)現(xiàn)了新的概念——混沌(chaos)。和以前的科學(xué)家一樣，他解方程組、求定量解沒有成功，但在定性研究方面開辟了新天地。他提出假想的n維空間——相空間概念，在相空間中每個點都代表系統(tǒng)的一個狀態(tài)。分析結(jié)論是：漸近解有無數(shù)周期不同的序列，也有無數(shù)非周期序列——后者即混沌，它對初始條件或狀態(tài)是敏感依賴的。他喜歡說的一句話是：“預(yù)測是不可能的”。這也損害了因果性原則。

到了20世紀，持確定論因果性觀點的典型人物首推Einstein。1920年1月20日Einstein致信M.Born說：“關(guān)于因果性問題使我很傷腦筋；光的量子吸收和發(fā)射是否有朝一日可在完全因果性的意義下去理解，還是要留下統(tǒng)計性尾巴……要放棄完全的因果性，我將非常難受?！盵28]1924年4月29日，Einstein在致M.Born的信中寫道：“在有比迄今更有力的反對嚴格因果性證據(jù)之前，我不會放棄……我不能容忍下述想法：受光照射的一個電子會由其自由意志來選擇跳開時間和方向……不錯，我要給量子以明確形式的嘗試一再失敗了，但我不想長久放棄希望。”1924年在致M.Born的信中Einstein又說：“量子力學(xué)理論有很大貢獻，但并不使我們更接近上帝的奧秘。無論如何，我相信他不是在擲骰子?！薄脑拏鞑ズ軓V，但并不正確；“上帝”(自然界)不僅擲骰子，而且常常擲在人們意想不到的地方?！瓝?jù)說N.Bohr在1927年曾對Einstein說：“你不能告訴上帝該怎么做”。

1927年3月，W.K.Heisenberg提出了量子力學(xué)(QM)中著名的測不準關(guān)系式。它告訴人們，微觀粒子的運行總有無法消除的不確定性，亦即在微觀世界中事件的發(fā)生常常是沒有原因的。實際上，正是量子理論對確定論提出了最大的挑戰(zhàn)。從1927年10月開始，Einstein表明了對測不準關(guān)系式的否定態(tài)度，并設(shè)計一些“思維實驗”以證明該關(guān)系式的原理可以被超越。這個過程至少持續(xù)了10年，其中包括著名的EPR論文?？傊?，測不準關(guān)系式直接導(dǎo)致了不可預(yù)測性，量子世界掙脫了因果鏈的嚴密束縛。英國物理學(xué)家P.Davies說：“根據(jù)量子理論，沒有因的情況下也可能有果”。中國著名量子力學(xué)家張永德[28]說，量子理論反對Einstein的客觀實在論，因為它對事物的看法是簡單、機械論的，背離態(tài)疊加原理和波粒二象性。此外，為QM所不容的是Lorentz變換不變性的理論基礎(chǔ)——相對論性局域因果性。故也可認為量子理論與因果性相容，但與相對論性局域因果性不相容”。

著名化學(xué)家I.Prigogine于1969年發(fā)表的書《Exploring complexity)，認為自然界本質(zhì)上是隨機、不可逆、不斷演化和非線性的，這才是真實的世界。這與Einstein的自然觀、世界觀不同。Prigogine用可能性取代了確定性。

眾所周知，英國著名物理學(xué)家S.Hawking是反對時間旅行的可能性的，其根據(jù)是這種旅行違反因果律；為此他還提出了時序保護假設(shè)(chronology protection conjecture)。Hawking認為，在接近閉合類時區(qū)邊界或Cauchy視界時，強真空漲落的極化能將毀掉這種特殊的時空結(jié)構(gòu)，從而使閉合類時線(時間機器)不能存在。故他是承認廣義相對論(GR)導(dǎo)致的時間可彎曲的觀點，雖然筆者覺得說“時間也有形狀”很荒唐?！€問道：“如果時間旅行可以實現(xiàn)，為何我們身邊從未發(fā)現(xiàn)有來自未來的時間旅行者？”當然Hawking此問只適用于批評“回到過去”的可能性，卻不適合于討論“前往未來”這樣的命題。

2010年筆者指出[29]，一些文獻把超光速運動發(fā)生時必然存在的時序相對性說成時間倒流，造成認識上的極大混亂。把因果性和狹義相對論(SR)兩者同時神圣化的作法屏蔽了、阻塞了合理的討論；然而因果性和對稱性一樣只是一種信念而非物理定律。在QM中微觀粒子行為通常不可預(yù)測；如把粒子到達某處當作一個事件，它就可說是無原因的。無論Einstein或者后人都把因果性絕對化了。早在1933年Nobel物理獎委員會主席就曾在致詞中說：“在微觀世界中必須放棄因果關(guān)系的要求，物理定律所表示的是事件出現(xiàn)的幾率”?！?/p>

在本節(jié)的最后我們簡述關(guān)于事物發(fā)展中的非線性和突變性問題。筆者認為非線性不是障礙，因為它?？山?jīng)由解析法而體現(xiàn)在方程式的非線性項中，從而仍然是有規(guī)律可循。典型例子如非線性Schr?dinger方程和非線性Klein-Gordon方程?！档弥匾暿峭蛔冃?mutaty)；這最早始于法國生物理學(xué)家G.Cuvier(1769-1832)提出的災(zāi)變說(catastrophy)；筆者認為它不是反對Darwin進化論，而是對后者的補充。1972年法國生物學(xué)家R.Thom[30]發(fā)表專著《穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與形態(tài)發(fā)生學(xué)》，系統(tǒng)地論述了突變理論，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是拓撲學(xué)和非線性微分方程論中的不穩(wěn)定奇點理論。Thom認為突變模型可解釋自然界和人類社會中的許多現(xiàn)象。一個系統(tǒng)保持穩(wěn)定的數(shù)學(xué)含意是：系統(tǒng)的勢函數(shù)達到最小，而突變是從原有狀態(tài)跳到另一個極小值。突變的原因消失后，突變結(jié)果會保持，只有更強大的動因才會引起變化。……我們認為Thom的理論對于人類預(yù)測未來的研究很有參考價值。

1859年Charles Darwin發(fā)表了他的名著《Origin of Species by means of Natural Selection》，中譯名為《物種起源》，認為物種的進化經(jīng)過長期演變，是一種自然選擇的演化過程。這是一種漸變論的觀點，不僅可用于生物學(xué)界和描述人類的發(fā)生發(fā)展，甚至后來被推廣于社會學(xué)研究中。與此對照，突變論強調(diào)變化過程的間斷或突然轉(zhuǎn)換，包括突然來到的質(zhì)變，其并未經(jīng)過緩慢的“量變的積累導(dǎo)致質(zhì)變”的過程?！鋵嵨覀兛梢詮臄?shù)學(xué)中的連續(xù)緩變函數(shù)(及相聯(lián)系的微分方程)來理解漸變理論，從階躍函數(shù)、δ函數(shù)(及相聯(lián)系的奇點)來理解突變理論。兩者都是現(xiàn)實地可能的自然狀態(tài)；但當考慮突變論的因素時，必然會影響到我們對未來的預(yù)測。

那么該怎樣看待量子理論與突變理論的關(guān)系？筆者認為情況較為復(fù)雜：一方面微觀粒子的行為不像經(jīng)典粒子那樣有規(guī)可循，不定性即包含突變的可能；另一方面Schr?dinger方程是一種漸變論的微分方程，如能確立初始波函數(shù)，仍然可以確定地掌握波函數(shù)在時空中的演化(它遵守幺正性要求或幾率守恒要求)。如果黑洞真的存在，QM中的幾率守恒或量子態(tài)幺正性演化不再成立，這就有了大問題。不久前Hawking說經(jīng)長期研究他得出了“黑洞根本不存在”的結(jié)論，如果這樣倒是解決了令人困惑的問題。

5 有給定的未來嗎？

2003年I.Prigogine[31]出版了專著《Is future given?》，書名的意思是“未來給定了嗎？”或“已將未來提供出來了嗎？”2005年的中譯本譯作《未來是定數(shù)嗎？》，也是可以的。這本書值得細讀，Prigogine提出了許多有價值的思想；但筆者覺得他的基本觀點是“未來不可預(yù)測”，這就值得商榷了！本文一開始就舉出天氣預(yù)報的例子——盡管大氣系統(tǒng)極其復(fù)雜而且變化迅速，很難設(shè)想人們可以預(yù)測明天、后天乃至一周后的天氣狀態(tài)；然而公眾一直都習以為常地享受氣象臺的預(yù)測報告，據(jù)以安排自己的工作和生活。這里并不是說天氣預(yù)報的準確性已經(jīng)非常令人滿意，但其為大體正確是不容否認的。既如此，怎么能說“未來無法預(yù)測”？

但我們必須耐心揣摩他的觀點。Prigogine認為，不可逆性改變了人們的自然觀，未來不是可以給定的(future is no longer given)。世界由幾率定律支配，并且由存在到演化(from being to becoming)。在他的認識中，過去的經(jīng)典模型都是“可積系統(tǒng)”的描寫，導(dǎo)致了確定論和時間可逆性。在前一方面，確定性導(dǎo)致可以預(yù)見過去和未來，排除了新事物出現(xiàn)的可能。在后一方面，經(jīng)典物理、量子物理均無特定時間方向，過去和未來的作用相同。至于可積系統(tǒng)與非可積系統(tǒng)，最早是由H.Poincarè所定義的，但對Prigogine有強烈影響——實際上他認為自然界總體講是不可積的，因而導(dǎo)致新漲落和優(yōu)先時間方向的出現(xiàn)。他明確說：“我們周圍的宇宙基本上是由不可積系統(tǒng)形成的?！彼麑?jīng)典力學(xué)、相對論力學(xué)、量子力學(xué)(QM)都不滿意，認為這些理論未對過去和未來作出區(qū)分，時間只不過是一個沒有方向的參量，即過去和未來是等價的。他并不想摧毀這些科學(xué)上的“驚人成就”，而是要作些修正，引入一些新的知識元素。他希望提出新的動力學(xué)規(guī)律，并作為不可逆過程的理論基礎(chǔ)。他引入了時間對稱性破缺，并認為自己的理論是量子理論的擴展。

Prigogine認為動力學(xué)系統(tǒng)一般是不可積的，而科學(xué)研究的重點應(yīng)放在不可積的大龐加萊系統(tǒng)(large Poincarè systems，LPS)上面。例如對象含有大量粒子的熱力學(xué)系統(tǒng)就是LPS?！沁@種LPS，引出了經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都不曾考慮過的新效應(yīng)；有關(guān)理論也可用到物理學(xué)中場和粒子的關(guān)系，而不可積的場是有相互作用的、有無限多自由度的系統(tǒng)。不僅如此，他還建議把有關(guān)理論推廣到人文(社會科學(xué))的領(lǐng)域。

Prigogine是化學(xué)家出身的科學(xué)家，他把動力學(xué)、熱力學(xué)、幾率理論等聯(lián)系起來作綜合研究，思維寬闊深入。但筆者認為他對量子理論的看法仍停在表面，基本論點也有可商榷之處。“預(yù)測未來”并不表示人們已預(yù)知未來，正是因為“不知道”所以才要預(yù)測；這也就是“未來學(xué)”的真正含意。雖然中國至今尚無這個學(xué)科，但總有一天它將會建立。

Prigogine把量子物理與經(jīng)典物理同等看待是完全錯誤的。在2011年發(fā)表的文章中[32]，筆者給出了5條量子理論所帶來的獨特性：

①在量子世界中測量將改變觀察對象，而不做觀察測量又無法獲得認識，因而人們對“客觀實在”的理解將變得模糊而不確定。如果說，客觀實在本身在一定程度上取決于人對觀察測量所做的選擇，那么傳統(tǒng)上認為客觀世界與人無關(guān)的觀念就將失效。

②QM認為不存在因果間的直接關(guān)系，經(jīng)典物理學(xué)中奉為金科玉律的確定性因果律，對量子世界不再正確，因為事件與時間并不一定保持連續(xù)性、和諧性的關(guān)系，而可能突然、間斷地變化。故事件常常不可預(yù)測，幾率思維取代了因果思維。

③QM認為微觀粒子可以從“無”中借來能量并超過更高的能量屏障(勢壘)，其理論基礎(chǔ)是W.Heisenberg的不確定性原理(測不準關(guān)系式)，而這個現(xiàn)象被賦予“量子隧道效應(yīng)”的名稱。

④QM還認為“真空不空”；正如J.Wheeler所說，真空里有劇烈的物理過程發(fā)生。量子場論的真空觀不但與經(jīng)典物理學(xué)不同，其觀點已為反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)而證明是有道理的。使用不確定性原理，可以證明在極短的時間內(nèi)可以違反“能量守恒”，例如10-13s時間內(nèi)一個電子和一個正電子可以從“無”中突然出現(xiàn)，然后又相互結(jié)合而湮滅。此外，在真空中會不斷產(chǎn)生、又不斷消失虛光子對。

⑤QM認為超光速是可能的，甚至無限大速度(物質(zhì)間的超距作用)都有可能，這就是非局域性(non-locality，也譯非定域性)現(xiàn)象。信仰Einstein局域性實在論的物理學(xué)家也承認，由于Aspect實驗否定了Bell不等式，又由于近年對quark幽禁問題的研究結(jié)果表明基本粒子之間存在遠距離相關(guān)，不僅西方科學(xué)家一般傾向于非局域QM，這些物理學(xué)家也不得不“容忍”非局域QM的存在，因為它有實驗支持。

從以上5個方面看，量子物理學(xué)不但不呆板，而且顯示出新穎性和勃勃生機。在這里我們還應(yīng)指出，第⑤條與糾纏態(tài)(entangled state)有關(guān)，為量子信息學(xué)的建立和發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。這些都是Prigogine不清楚或未予重視的。

6 關(guān)于量子時間機器

量子理論應(yīng)用于對未來的預(yù)測是很自然的。2010年11月20日出版的《New Scientist》雜志(總期號No.2787)有一篇文章，作者J.Mullins[33]主要是報道美國麻省理工學(xué)院(MIT)S.Lloyd小組的研究工作。文章說，對于實在的時間旅行而言，通常認為有一個限制——例如倒霉的時間旅行者需行進到黑洞的邊上，才能實現(xiàn)他的目標；這在實際上從未以實驗測試過。然而加拿大物理學(xué)家S.Lloyd和A.Steinberg認為應(yīng)用量子力學(xué)可以有新辦法?！诹私馑霓k法之前，筆者認為應(yīng)先了解“量子后選擇現(xiàn)象”(quantum post-selection effect)。美國著名物理學(xué)家John Wheeler在1979年提出一個思想實驗，當時稱為延遲選擇實驗(delayad choice experiment)。它突顯了量子理論與經(jīng)典物理在實在問題上的深刻分歧，集中展現(xiàn)出量子力學(xué)對傳統(tǒng)實在性觀念的挑戰(zhàn)。1984年，美國Maryland大學(xué)的C.Alley等對這個思想作了實驗室中的實際展示。Wheeler的設(shè)計如下：一個極弱的光源置于有一對平行狹縫的屏幕(S1)之前，該屏之后較遠處放有屏幕(S2)。正如傳統(tǒng)的Young實驗一樣，S2上面會產(chǎn)生干涉條紋，反映光波不同相位的影響。但是，如果進一步降低光源的輻射，以致一次只有一個光子通過S1，仍有干涉圖案出現(xiàn)。如光子只通過一個狹縫，就難以解釋。

現(xiàn)在于S1背后安裝兩個光子檢測器(photon detectors)，并且是每縫一個，以觀察每個光子通過哪個狹縫。然而，每當實驗者確定了光子的通道，干涉圖形就不出現(xiàn)。這時實驗者可以選擇，或看光子朝向何處并破壞其波狀行為，或選擇不看并允許光子體現(xiàn)其波性；這就是歸結(jié)為選擇粒子或波動。光子可能兩者都是，但不是在同一時間，某種程度上取決于實驗者的選擇。現(xiàn)在，又于S2背后安裝兩個觀測鏡(telescopes)，也是每縫一個，以推斷任一指定光子從哪個窄縫中顯現(xiàn)出來。但是，這樣做就破壞了干涉圖形。因此，實驗者的觀測影響過去的自然界(光子是否呈現(xiàn)波性或粒子性)。這種怪現(xiàn)象被稱為“量子的后選擇”(quantum post-selection)，表示觀測者的選擇能影響光子前期的行為。

Wheeler的“延遲選擇”思想可改造為以下實驗——減弱光源輻射使其只發(fā)出一個個光子，并且是在前一個光子打在S2上之后再發(fā)出后一個光子。S2先呈現(xiàn)隨機性圖形，但在光子增多后逐漸顯出干涉條紋。對此，如認為將發(fā)出的光子與已達S2的光子發(fā)生干涉，即表示尚未發(fā)生的事件與已完成的事件互相作用，違反了因果律。故可認為每個光子都和自己干涉，而這只在光子同時通過雙縫才能辦到。一個光子同時走兩條路，在經(jīng)典物理中是不可能的，說明光子具有奇異的性質(zhì)。

可以看出，為了研究使用量子原理的時間旅行，應(yīng)先了解“量子后選擇”現(xiàn)象的本質(zhì)。2010年Lloyd采取的方法是，使用下述量子效應(yīng)——量子粒子(如光子、電子)并不由時間箭頭所限定。例如量子粒子的未來可以影響過去，在J.Wheeler實驗中，一個未被觀察的光子同時經(jīng)過雙縫。之所以知道一個光子可同時通過雙縫，是因為終端屏上有干涉圖案出現(xiàn)；如光子只通過單縫，是不會有的。

但如用兩個檢測器觀察各個狹縫，企圖確定光子的通過何者，干涉圖形就不出現(xiàn)。這表示實驗者可作出選擇——或是粒子(無波性)，或是(不觀察)從而呈現(xiàn)波性?？傊畬嶒炚哂^測可決定早先的情況(光子呈現(xiàn)粒子或波)，故觀測者后來的選擇可影響光子前期行為(the photon can be affected by a measurement that take place after the experimanet is ostensibly finished)。必須指出，歐洲人近年來已用實驗證明后選擇確實在若干納秒程度上影響光子特性，故有一種說法是“后選擇可改變宇宙的歷史”(the post selection process could even change the entire history of the universe)；不過筆者覺得這樣講有些夸張?；氐絃loyd-Steinberg建議的方法；他們認為，我們?nèi)粘＝?jīng)驗告訴我們開始的狀態(tài)決定著未來。但是量子粒子無法區(qū)分時間的前向和反向。這也意味著確定未來狀態(tài)可以決定發(fā)生在它之前的事情?！谒麄冎埃珻.Bennett和B.Schumacher曾經(jīng)提出，可以利用量子糾纏(quantum entanglement)來建立時間機器。利用兩個粒子(如光子)使它們變得非常密切相關(guān)，它們共享存在。糾纏粒子是特殊的，因為對其中一個的測量會影響到其他粒子，無論它們相距有多遠?，F(xiàn)在想象你想傳送一個第三粒子從A到B；訣竅在于創(chuàng)造一對糾纏粒子，并將其中一個放在A，另一個放在B，然后在兩個地方進行一系列的測量。如果你能做到這一點，就可以確保第二個粒子最終的狀態(tài)和“太空旅行者”是一樣的。

準確地說，旅行者身體并沒有移動。只是量子的信息完全描述了旅行者，從而完成這次旅行，這允許第二個粒子B具有旅行者的身份。令人好奇是這種傳送發(fā)生在一瞬間。在這個過程中，量子信息從A點到B點。因此，很自然的讓人想到只通過在A點的測量來完成這次旅行。但是由于隱形傳輸是瞬間發(fā)生的，這僅僅當作一個考慮測量點B引發(fā)行程的依據(jù)，即使它后來發(fā)生了。圖1表示處于“現(xiàn)在”的女孩Alice要求處在“未來”的男孩Bob通過量子隱形傳態(tài)送給她一個消息，圖中Alice和Bob具有糾纏光子對(都叫A)；以后：(1)Alice傳送一個消息(通過測量糾纏光子而譯碼為光子X)；(2)Bob測量自身的光子時得到消息；(3)后選擇作用表示，它是在未來的Bob測量，造成Alice的光子具有該性質(zhì)；(4)根據(jù)后選擇作用，這是等效為Bob逆時間發(fā)送消息?！@是作用中的后選擇，有這樣一個特征，即如同量子計算，量子物理學(xué)利用所有的時間來做事。正是利用因果間的模糊關(guān)系，Steinberg和Lloyd開發(fā)了時間旅行模擬器。Steinberg說，“本質(zhì)上，時間旅行剛好就是隱形傳輸”。

圖1 顯示量子后選擇作用的示意圖

把它稱作時間旅行是不是有些夸張?也許是，相同的方式是量子的隱形傳輸傳遞的是量子的狀態(tài)而不是物質(zhì)材料本身。然而，Lloyd和Steinberg爭辯道：“后選擇隱形傳輸?shù)倪壿嬇c時間旅行一致，所以我們的實驗就是一個時間旅行模擬器。然而，它不能把人帶回恐龍時代，它還有很多特別的事情要做?！盠loyd和Steinberg團隊首先做的事情是，通過將光子送回來殺死它本身模擬祖父悖論。團隊使用隱形傳輸來做這個，是個重要的轉(zhuǎn)折。傳統(tǒng)的量子隱形傳輸保證給你一個打算傳輸?shù)母北緺顟B(tài)。Lloyd和Steinberg想知道這是否會為光子用量子槍殺死自己而工作。

從實際的角度看，他們的仿真要求兩項額外功能。一是要有一把能夠發(fā)射子彈的量子槍，二是要有一種方法使傳送過程自發(fā)停止。這個團隊同時還決定，不采取量子傳送中常見的追蹤兩個光子的方式，而是追蹤單個光子的兩項屬性。具體說，光子的偏振方式代表光子“現(xiàn)有”的狀態(tài)，而它的運動方向代表它“過去”的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，他們會給這個光子配上一把量子槍，既可以發(fā)射子彈，也可以自發(fā)終止量子傳送過程。這個設(shè)備又叫做波片，能夠改變光子的偏振方式。這是因為光子的偏振方式和運動方向都是被追蹤的，光子也被配發(fā)了量子槍，以影響它“過去”的狀態(tài)。

現(xiàn)在，如何確保在必要時傳送過程能夠自動停止呢?其實這比前一項工作還簡單，因為量子傳送過程本身，就有內(nèi)建的終止機制。除非你采用特別的方式進行測量，否則，在整個傳送過程中，量子真正處在工作狀態(tài)的時間只占到25%的比例。所以，在這個小組的實驗中，實際有4個可能的結(jié)果，取決于傳送過程和量子槍所處的狀態(tài)。

而在這個實驗完成之后，會發(fā)生一些有趣的事情：在每一個單獨的時間節(jié)點，如果時間旅行啟動，量子槍就無法開啟。而一旦時間旅行無法啟動，量子槍就會工作。從祖父悖論的角度來看，只要你的槍有一定幾率無法發(fā)射，并且所謂的暗殺也宣告失敗的話，時間旅行就可能啟動。Lloyd說：“你可以舉槍瞄準，但是無法扣動扳機?！?/p>

Lloyd和Steinberg的實驗激起了人們對時間旅行的興趣，尤其是它不依賴于廣義相對論(GR)的時空扭曲、閉合類時曲線那一套，也不依靠黑洞、蟲洞、多世界(多元宇宙)這些東西。新的思維建立在量子后選擇的基礎(chǔ)上，并認為時間旅行在理論上可行?！m然上述內(nèi)容主要考慮的是“回到過去”而非“前往未來”，仍然是本文應(yīng)當介紹的內(nèi)容，因為可以促進思考——過去和未來畢竟不是無關(guān)的。

7 關(guān)于地震預(yù)報[34]

在科學(xué)研究的基礎(chǔ)上預(yù)測未來，這不但不是奇談怪論，而是實際上人們正在做的工作。除了天氣預(yù)報的例子，另一個重要領(lǐng)域是地震預(yù)報。這是十分困難的，尤其是對幾個要素(發(fā)生地震的時間、地點和震級)的準確指示，成功的先例尚不多。但在全世界有許多科學(xué)工作者獻身于此，如能做到就可以避免生命財產(chǎn)的巨大損失。

全世界每年要發(fā)生100～200次強地震，約18次7級以上的大地震，l～2次8級以上的特大地震。1999年9月發(fā)生大地震3次(土耳其、希臘、我國臺灣省)，造成嚴重的人員傷亡及財產(chǎn)損失。2014年第一季度的大地震次數(shù)是1979年以來平均次數(shù)的兩倍多。中國是地震多發(fā)國家，研究地震發(fā)生的規(guī)律和預(yù)報的方法，以盡力減少災(zāi)害損失，是科學(xué)工作者責無旁貸的任務(wù)。

地震觀測系統(tǒng)是多學(xué)科性質(zhì)的，這是因為地球本身是一個復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，而人們對于地震發(fā)生的規(guī)律又知之甚少。這中間包括地電、地磁、電磁波方面的觀測，地震電磁學(xué)就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。我們先看1995年1月17日發(fā)生在日本關(guān)西神戶地區(qū)(兵庫縣南部)的大地震。在震前，研究機構(gòu)曾發(fā)現(xiàn)地殼的南北方向運動，也發(fā)現(xiàn)電磁波異常?！毡揪┒即髮W(xué)早在1994年曾預(yù)報了北海道以東海中的8級大地震，是由于記錄到當時發(fā)生的超長波(頻率f<15kHz的波)；這次雖也記錄到超長波異常，在陸地難以確定具體地點，所以未能對地震的發(fā)生作出預(yù)報。

大地震發(fā)生之前，廣大地區(qū)會發(fā)生相當強的電磁波。這就會導(dǎo)致家用電器異常，1995年1月15日兵庫縣就發(fā)現(xiàn)了電視機、電冰箱異常。此外，也可能在地震發(fā)生前72小時內(nèi)使人感到惡心、煩燥、頭暈、頭痛等，也是由電磁場變化所造成。

早在1993年，日本電氣通信大學(xué)的研究人員就把能夠測量地下電磁波的裝置安在筑波市的某處，它包括埋在地下的天線、磁傳感器、相位測定器等。首先，該裝置須確定電磁波傳來的方向；其次是確定電磁波的頻率，主要是LF頻段(30kHz～300kHz)，同時注意VLF頻段(1kHz左右)。

阪神大地震是二戰(zhàn)后在日本發(fā)生的最大地震。在那以后，日本政府投入巨資開展地震綜合研究。其中，理化研究所負責測量和分析伴隨地震發(fā)生而導(dǎo)致的電磁現(xiàn)象——包括地面、空中和電離層；宇宙開發(fā)團負責測量地震發(fā)生前的電磁波混亂情況，有時測量工作是從宇宙空間進行。觀測的頻段不能限于低頻，高頻乃至超高頻都需要觀測。

眾所周知，電磁現(xiàn)象與光學(xué)現(xiàn)象互有聯(lián)系。典型的例子是閃電，它既是巨大的電流，又因使空氣電離成為導(dǎo)體而發(fā)出閃光?！谘芯康卣饡r，必須了解在地表以下彌漫著巨大的物理應(yīng)力；尤其在地震前，巖石、板塊受到巨大壓力，而其中又不乏晶體結(jié)構(gòu)，故會產(chǎn)生強大的局部電場，足以產(chǎn)生光球和光柱，也會影響到天空中云的色彩。這就為人們預(yù)測地震提供了線索。所謂“地震云”是指這樣的自然景觀：紅色或粉紅色，大片地浮在天空，從震源方向起呈放射狀。日本人多有地震云的目擊者，他們認為在發(fā)生大地震前均可看到這種光彩或云。這其實是強大的電磁場造成的發(fā)光現(xiàn)象。

對地震前發(fā)生的電磁波的觀測必須是立體的，即包括海底、地下、地表、和空中。所謂“空中”的范圍，是從距地面幾公里直到數(shù)百公里的高度。顯然，全面開展這樣的監(jiān)視、觀測，需要巨大的投資，技術(shù)上也有很大困難。

1994年12月，在美國加州Packfield地方安裝的地磁儀記錄了一個罕見的電磁信號，一周后該地發(fā)生了5級地震。震后的一個月里，該信號仍不斷出現(xiàn)。法國科學(xué)家分析說，該信號可能是地殼深層的水源的移動造成的；該移動來自巖石和板塊的壓力，導(dǎo)致地電流和磁場改變。地磁儀觀測目前仍在進行。

與地磁測量相聯(lián)系的是對地球磁場展開大規(guī)模的研究。對此，美國San Cruse加州大學(xué)的科學(xué)家已用巨型電子計算機建立了一個數(shù)學(xué)物理模型。他們在1999年5月聲稱，已完成了描述地磁活動的方程的數(shù)值解法，已接近于揭開地球磁場的奧秘。

在空中，國際科學(xué)界對于使用人造地球衛(wèi)星監(jiān)測和預(yù)報地震發(fā)生抱有很大的期望。早在1990年，在伊朗發(fā)生一次大地震前，一顆俄羅斯衛(wèi)星就曾收到過一種獨特的干擾信號，是在短波波段。這使俄國科學(xué)家相信，有必要研制地震預(yù)測衛(wèi)星，以監(jiān)視整個大氣層(包括電離層)。理論和實踐都表明，大地震無一例外地引起電離層的局部變化；因而俄羅斯研制了地震預(yù)測衛(wèi)星Prevestnik，把它射入高度450km的環(huán)地球軌道。由俄羅斯航天局資助、計劃化費700萬美元的衛(wèi)星，可在地震發(fā)生的2小時至2天前發(fā)出警報。它將布置在多發(fā)地震的俄羅斯遠東地區(qū)的上空。

關(guān)于從太空預(yù)測地震，中國科學(xué)家也已開展了研究?！吨袊茖W(xué)》雜志(1998年第6期)報道說，強祖基等一批科學(xué)家利用氣象衛(wèi)星上的紅外掃描儀拍攝一系列圖像，用此法發(fā)現(xiàn)亮溫增溫進行發(fā)生地震的短臨預(yù)報，取得了某些成功。據(jù)認為，地震前地殼中的巖層受到巨大壓力時，CH4等氣體溢出地表或水面；同時，由于地下水劇烈運動，使帶電粒子傳向地表，構(gòu)成瞬態(tài)電場。結(jié)果，在電場中CH4、N2、CO2等氣體獲得能量，產(chǎn)生能級躍遷后釋放熱量，最終出現(xiàn)低空大氣升溫異常?！@項研究引起了各方面的重視。

8 結(jié)束語

企圖用“手相學(xué)”和“占星術(shù)”預(yù)測人的命運(即預(yù)測未來)有悠久的歷史；前者觀察手掌心紋路的走向，后者根據(jù)人的出生時間尋找與天上星座的對應(yīng)關(guān)系。這些作法缺乏科學(xué)性，不是本文要討論的內(nèi)容?！梢钥吹煤芮宄?，說“未來無法預(yù)測”肯定不對；人類社會已為天氣預(yù)報、地震預(yù)報設(shè)立了專業(yè)性很強的機構(gòu)，取得了可觀的成就。但在另一方面，說“未來的一切已掌握在我們手中”卻與事實不符，無法令人信服。

無論如何，人類迄今已積累起來的龐大知識體系可以幫助我們預(yù)測未來和探索未來。對于“Prigogine之問”，筆者認為可以從幾方面作出回答：①客觀世界既有規(guī)律可循，又常常是無規(guī)、隨機、非線性、突變性的，因而預(yù)測未來既是可能的又是極其困難的，需要針對具體問題作具體的分析才能判定；②對于量子物理學(xué)實驗(例如WKD實驗是一個量子光學(xué)實驗)，用因果性要求去批評完全沒有道理；對于經(jīng)典物理實驗(例如用非量子原理和技術(shù)進行的負波速實驗)，可以提出因果性要求，但應(yīng)以對causality的“劉遼解釋”為基礎(chǔ)，而不是死守時序上的“因先于果”；③從總體上講未知事物大量存在，未來充滿了不確定性，對此人類應(yīng)當有足夠的思想準備；④正是量子理論的獨特性質(zhì)(例如糾纏態(tài)、量子后選擇等)為設(shè)計時間旅行的新方法奠定了基礎(chǔ)，深化了對“回到過去”和“前往未來”的討論，成為未來學(xué)研究中的新希望。⑤人類必須做好現(xiàn)在的事情，才會有美好的未來。

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