估计有 10 个左右82可观测宇宙中的原子。由于元素周期表中的每个元素都至少包含一个电子,因此你可以放心地假设可观测宇宙中至少有 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 个电子。
或者你能吗?根据理论物理学家约翰·惠勒提出的理论,他在与同行物理学家的对话中概述了他的想法理查德费曼,只有一个电子——只是看起来有很多,因为它在时间上向前和向后移动。
这听起来很奇怪,但这本身是对电子不可思议的奇特性的反应。电子和其他基本粒子一样,彼此之间难以区分。它们具有相同的负电荷、相同的质量和相同旋转. 把一个电子换成另一个电子,你无法分辨。
它的反粒子——正电子——也难以区分,它们的电荷、质量和自旋都相同。奇怪的是,除了正电荷外,它们与电子完全相同。正是这些因素让惠勒认为电子和正电子实际上只是一种粒子,随着时间的流逝,它们带负电,随着时间的流逝,它们带正电。
“有一天,我在普林斯顿大学研究生院接到惠勒教授的电话,他说,‘费曼,我知道为什么所有的电子都具有相同的电荷和相同的质量’,”费曼在 1965 年说诺贝尔演讲。
“‘因为它们都是同一个电子!’然后,他在电话中解释说,‘假设我们以前在时间和空间中通常考虑的世界线——不是只在时间上向上延伸,而是一个巨大的结,然后,当我们通过对应于固定时间的平面切断这个结时,我们会看到很多很多的世界线,它们代表着很多电子,但有一件事除外。如果在一个部分中,这是一条普通的电子世界线,在它反转并从未来回来的部分中,我们在正确的时间——正确的四个速度——上得到了错误的符号,这相当于改变电荷的符号,因此,路径的这一部分将像正电子一样运行。’”
这将使一个古老的粒子在时间中来回反弹的次数令人难以置信。虽然这是一种有趣的解释电子和正电子为何具有相同特性的方式,但它不太可能是正确的。正如费曼指出的那样,宇宙中的正电子数量远不及电子,而且更多的物质比反物质多。如果正电子和电子是同一基本粒子,在时间上向前和向后运动,那么它们的数量应该是偶数。
“好吧,也许[丢失的正电子]隐藏在质子里或别的什么东西里,”这是惠勒给出的解释,但相当缺乏说服力。虽然这是一个思想实验,但很可能不是应该认真对待这通电话对费曼产生了深远的影响,他写了一篇纸如何将正电子描述为在时间上逆向移动的电子。
“我并没有认真对待他提出的“所有电子都是同一个”的观点,而是认真对待“正电子可以简单地表示为电子在其世界线的后部从未来到过去”的观察结果,”他补充道。“那,我偷了!”