如何看懂《信条》—介绍故事设定之一的惠勒的单电子宇宙假说

微剧透，请谨慎阅读。

看过《信条》的首映，后半段是张着嘴巴看完的。早有各路大神做过很多剧情分析了，我只介绍一下《信条》故事设定其中一个物理学基础—惠勒的单电子宇宙假说 ，影片中帕丁森饰演的尼尔对主人公提到过这个理论。

先思考一个简单的问题：为什么所有的电子都是相同的？如果电子的质量和电荷存在一定范围的变化，那这个世界会不会没那么无趣？只可惜在量子力学中，电子是绝对相同的。

针对这个问题，物理学家约翰·惠勒给他的研究生理查德·费曼说过一个简单的解释。费曼在他的诺贝尔奖演说中这样说的：

有一天，我在普林斯顿研究生院接到了惠勒教授的电话，他说：“费曼，我知道为什么所有的电子都有相同的电荷和相同的质量，因为他们都是同一个电子。随后做了一番解释……”

惠勒单电子的时空图

惠勒教授在电话里所说的解释如上图所示，是这颗唯一电子的“世界线(world line) ”，电子在过去和未来之间不断地来回穿梭。在任何一个特定的时间，比如今天，这颗电子可以在无数个不同地方被观测到。惠勒教授认识到如果单电子从过去穿梭到未来的路径中被观测到，比如在A点处，那么它表现出来的就是普通的带负电的电子，而如果在B点处它从未来穿梭到过去，那么它就表现为带正电的电子，称为正电子(positron)。

《信条》中主角在正反世界的行为就如同单电子在过去与现在来回穿梭，不同的方向表现出不同的特性。比如在反世界里被逆熵子弹击中，那么伤口只会随时间越来越严重。电影的关于时空逆转的设定，便是基于单电子宇宙假说。

那么费曼对这个假说有什么看法呢？同样在诺奖演说中，费曼说道：

我对惠勒教授说道：“照此说法，正电子与负电子应该一样多，但是并没有发现那么多正电子呀！”，他回答：“或许正电子藏在质子里。”我并没有把单电子假说当一回事，我只是把所有的正电子简单理解为是在它们的世界线上从未来穿梭到过去。这一点，是我从惠勒这里偷来的。

费曼图

费曼图里沿时间正向移动的就是常规的电子，而沿着时间逆向移动的就是正电子。

虽然费曼并没有完全认可惠勒的解释，但毫无疑问，这个假说从简洁性以及无可思议的程度上，可谓是有史以来最伟大的作品之一。正如数学家外尔所说：

我的工作一直试图将真理与美感统一起来，而当我不得不选择其中一个时，我通常会选择美感。(My work always tried to unite the truth with the beautiful, but when I had to choose one or the other, I usually chose the beautiful.)

（附：对于真理与美感的说法，费曼有截然不同的观点，这里先按下不表。）

参考：A story by Wheeler (source：FSU) ​​​

单电子宇宙：一个奇妙的假说

引言

你是否曾经想过，宇宙中的所有电子和正电子，其实都是同一个粒子在时空中穿梭的结果？这听起来可能很荒谬，但是这却是一个由著名的物理学家约翰·惠勒和理查德·费曼提出的一个假说，被称为单电子宇宙 。这个假说认为，宇宙中只存在一个电子，它在时间上既能向前也能向后移动，从而形成了我们看到的所有电子和正电子。这个想法虽然没有得到实验的证实，但是却给了我们一个新颖的理解宇宙的视角。在这篇文章中，我们将简要介绍这个假说的由来、内容和意义。

假说的由来

单电子宇宙的假说最早是由约翰·惠勒在1940年春季打给理查德·费曼的电话中提出的。惠勒是一位杰出的理论物理学家，他对广义相对论、量子力学和核物理等领域都有重要的贡献。费曼是惠勒的学生，后来也成为了一位著名的物理学家，他对量子电动力学、统计力学和纳米技术等领域都有创造性的工作。惠勒和费曼之间有着深厚的师生情谊和学术合作，他们共同发展了费曼图的方法，用图形的方式简化了量子场论的计算。

惠勒在电话中对费曼说：“费曼，我知道为什么每个电子都有同样的电荷和质量了。”费曼问：“为什么？”惠勒说：“因为他们都是同一个电子！”这个惊人的回答让费曼很震惊，他问惠勒是怎么得出这个结论的。惠勒说，他是基于以下的三个事实或猜想：

基于这三个前提，惠勒提出了一个大胆的假设：宇宙中的所有电子，可以看做是一个电子在时空中运动的结果；并且这个电子在时间中既能“向前”也能“向后”移动。这样，一个电子在时空中的轨迹就像一个巨大的缠结，可以追溯到同一个电子。在这个缠结上的任何一个时刻，都可以表示为时空上的一个切片，且该切片上会落有无数轨迹相交产生的结点。每个这样的结点，代表该时刻上的一个真实电子。在这些结点上，一半的轨迹将在时间上向前，而另一半则向后。惠勒认为，向前的这些成为我们所见的电子，而向后的则形成正电子，即电子的反粒子。

假说的内容

为了更清楚地理解这个假说，我们可以用一个简单的图示来表示。如下图所示，一个电子在时空中的轨迹可以用一条蓝色的线来表示，这条线在时间轴上有时向上，有时向下，表示电子在时间上的前后移动。在这条线上的任何一个点，都可以表示为一个电子的存在。如果我们在某个时刻切割这条线，就可以得到一个切片，上面有若干个电子的点。这些点就是我们在这个时刻看到的电子。如果我们把这些点用红色的线连接起来，就可以得到一个闭合的回路，表示电子在空间上的运动。这个回路就是一个电子-正电子对的产生和湮灭的过程。在这个过程中，电子和正电子并没有真正的产生或湮灭，而只是电子在时空上的运动方向变化了，从未来到过去，或是从过去到未来。

假说的意义

单电子宇宙的假说是一个非常奇妙的想法，它给了我们一个全新的理解宇宙的视角。它让我们重新思考了物质和反物质的本质，以及时间的方向和对称性。它也让我们惊叹于自然界的奥妙和美丽，以及物理学家的创造力和想象力。然而，这个假说并没有得到实验的证实，也没有提供任何改变我们对物理现象的认识的新方法。它只是一个有趣的思维实验，一个美丽的假说。它可能永远不会被证明或否定，但是它却激发了我们对宇宙的好奇和探索。

假说的问题

单电子宇宙的假说虽然很有趣，但是也有很多的问题和困难。首先，这个假说并没有给出一个明确的机制，来解释为什么电子会在时间上来回移动，以及这种移动的规律是什么。惠勒和费曼只是提出了一个可能的场景，但是没有给出一个具体的数学模型，来描述这个场景的动力学和预测性。其次，这个假说也没有给出一个合理的解释，来说明为什么宇宙中只有一个电子，而没有其他的费米子，例如夸克、中微子等。这些费米子也有相同的性质，即交换对称性和反粒子等效性，那么它们是否也可以用同样的方式来表示呢？如果是的话，那么宇宙中的所有费米子都是同一个粒子的结果吗？这又如何与我们观测到的物质的多样性和复杂性相协调呢？最后，这个假说也没有考虑到电子与其他的物理现象的相互作用，例如电磁场、弱相互作用、强相互作用等。这些相互作用会影响电子的运动和状态，那么它们又是如何与单电子宇宙的假说相一致的呢？

假说的启示

尽管单电子宇宙的假说有很多的问题和困难，但是它也给我们带来了一些启示和灵感。首先，它让我们重新思考了时间的本质，以及时间的方向和对称性。我们通常认为，时间是一个单向的流动，从过去到未来，而不能从未来到过去。但是，如果我们从物理学的角度来看，时间并没有一个固定的方向，而是可以根据参考系的不同而变化。例如，对于一个静止的观察者来说，一个运动的钟表会比一个静止的钟表走得慢，这就是相对论的时间膨胀效应。而对于一个运动的观察者来说，一个静止的钟表会比一个运动的钟表走得快，这就是相对论的时间收缩效应。这两种情况都是正确的，只是取决于观察者的参考系的不同。那么，如果我们换一个参考系，能否让时间的方向反转呢？如果我们能够在时间上来回移动，那么我们就可以实现时间旅行，或者改变历史，或者预知未来。这些都是非常有趣的思考题，也是科幻小说和电影的常见主题。

其次，它让我们重新思考了物质和反物质的本质，以及物质和反物质的不对称性。我们通常认为，物质和反物质是两种不同的存在，它们有相反的电荷和其他的量子数，而且它们在相遇时会相互湮灭，释放出大量的能量。但是，如果我们从物理学的角度来看，物质和反物质并没有本质的区别，而只是同一种粒子在不同的状态下的表现。例如，对于一个静止的观察者来说，一个电子是一个负电荷的粒子，而一个正电子是一个正电荷的粒子，它们是物质和反物质的代表。而对于一个运动的观察者来说，一个电子和一个正电子都可以看做是一个中性的粒子，它们只是在不同的自旋方向上的表现，这就是狄拉克的电子孔理论。这两种情况都是正确的，只是取决于观察者的参考系的不同。那么，如果我们换一个参考系，能否让物质和反物质的区别消失呢？如果我们能够在物质和反物质之间自由转换，那么我们就可以实现物质的创造和消灭，或者利用物质和反物质的湮灭来产生无穷的能量。这些都是非常有趣的思考题，也是科幻小说和电影的常见主题。

最后，它让我们重新思考了宇宙的本质，以及宇宙的起源和终结。我们通常认为，宇宙是一个由无数的粒子和场组成的复杂的系统，它们遵循着一些基本的物理定律，而且它们在不断的演化和变化。但是，如果我们从物理学的角度来看，宇宙也可以看做是一个由一个粒子和一个场组成的简单的系统，它们遵循着一个基本的物理定律，而且它们在不断的重复和循环。例如，对于一个外部的观察者来说，宇宙是一个从大爆炸开始，经过膨胀、冷却、结构形成、加速膨胀等阶段，最终可能会以大撕裂、大坍缩、大反弹等方式结束的过程，这就是宇宙学的标准模型。而对于一个内部的观察者来说，宇宙也可以看做是一个由一个电子在时空中运动，形成了所有的电子和正电子，以及它们的相互作用的过程，这就是单电子宇宙的假说。这两种情况都是可能的，只是取决于观察者的视角的不同。那么，如果我们换一个视角，能否让宇宙的复杂性和简单性相互转化呢？如果我们能够在宇宙的不同阶段和状态之间自由穿梭，那么我们就可以实现宇宙的探索和创造，或者发现宇宙的奥秘和意义。这些都是非常有趣的思考题，也是科幻小说和电影的常见主题。

结语

单电子宇宙的假说是一个非常有趣的物理学假说，它给了我们一个新颖的理解宇宙的视角。它让我们重新思考了时间、物质、反物质和宇宙的本质，以及它们之间的关系和对称性。它也让我们惊叹于自然界的奥妙和美丽，以及物理学家的创造力和想象力。然而，这个假说并没有得到实验的证实，也没有提供任何改变我们对物理现象的认识的新方法。它只是一个有趣的思维实验，一个美丽的假说。它可能永远不会被证明或否定，但是它却激发了我们对宇宙的好奇和探索。

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