预测未来的科学

黄志洵

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

1 引言

每个人都关心自己的未来(事业前途、身体状况、投资风险、婚恋前景等等)，与此同时人们也关心国家的乃至世界的未来。然而通常认为预测未来是不可能的，“算命先生”所说的话只是一派胡言，是为了金钱而实施诈骗。……但我们的认识不能停留在这个虽然正确但却初级的层次，因为人类社会实际上已经离不开对未来的预测——典型的例子是气象台的“天气预报”。根据气象预测资料，应用天气学、大气动力学、大气热力学、气象统计学的原理和方法，对某区域或某地点在未来一段时间的天气状况作定性或定量的预测，这就是天气预报。世界上第一个发布天气预报的国家是荷兰，时在1860年[1]。百年后(1960年4月1日)美国的气象卫星首次发射成功；在同一时期Doppler雷达被用于气象探测。加上电子计算机的使用，这一切大大改善了天气预报的质量。现时的天气预报是大体正确而又不完全正确，尽管如此它已是人们生活中不可缺少的信息资料。……又如，政府机构需要预测未来的人口数量、水资源消耗等情况；联合国想知道未来发生“小行星撞地球”的几率有多大；如此等等。2014年7月有报道说，卫星可提前11个月预报严重洪灾。

总之，在“在科学的基础上预测未来”是可以实现的，虽然尚不能精确报告未来发生的事件。英国牛津大学(Oxford University)设有人类未来研究所，是我们能够理解的事情。与过去的常见文章不同，我们的讨论将避开“依靠相对论讨论时间旅行”的模式，也不对时间的本质作哲学探讨。本文将从电磁理论中的d’Alembert解开始，逐步深入下去进行探索。

2 超前波：从幕后走到台前

在18世纪数学家曾致力于弦振动问题的研究，这与音乐的发展有关，例如人们感兴趣于小提琴弦的振动。法国数学家J.d’Alembert于1746年的论文“张紧的弦振动时形成的曲线的研究”，实际上是讨论后来称为1维波方程的2阶偏微分方程：

(1)

式中z是弦长方向，t是时间，f=f(z，t)是振动变量。方程等式左边是函数的空间关系，右边是函数的时间关系，整个方程反映弦上波动的时空关系。常数v与弦的材料、质量有关。由于弦固定在端点z=0及z=l之间(l为弦长)，故解需满足边界条件f(0，t)=0及f(l，t)=0；此外还有解应当满足的初始条件。d’Alembert巧妙地解这个方程，结果是该偏微分方程的每个解都是(vt+z)及(vt-z)的函数之和。在满足边界条件及初始条件时，他把解写作

(2)

数学家L.Euler在1748至1755年间也研究了弦振动问题，他的结果表述略有不同：

(3)

在这里f是与横坐标z对应的纵坐标；Euler给出下述特解：

(4)

此外还论述了模式和模式迭加的概念。

有趣的是，d’Alembert、Euler和Bernoulli三位数学家就弦振动的数学理论进行过长达10年的辩论，后来Lagrange也加入了讨论[2]。后人总结性地把(3)式称为1维波方程的d’Alembert解。我们知道1760年Euler提出了3维波方程：

(5)

=(6)

式中ψ是波函数(用后来的名称)，实际上是电场强度或磁场强度。以上发展证明了自然规律的一致性。很自然，人们会把d’Alembert解沿用到电磁理论领域。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

在球坐标条件下可写作

(13)

这个1维波方程其实是前述的弦振动方程，通解为

(14)

参考极端情况(静电场)就可写出

(15)

多年来科学界的作法都是抛弃超前解，因为人们认为它表示“在源起作用之前就能观察到结果”，违反了因果律(causality，笔者将其译作因果性)。而且通常认为“波由外界向源汇聚”没有道理。但是，在1941年出版的名著《Electromagnetic Theory》中，J.Stratton[4]却对此有所保留。他指出，在这个问题上应用逻辑上的因果原理是“站不住脚的”；如果抛弃超前解，也只是因为滞后解才与实验结果相符合。……由此可以看出，如果Stratton了解到近年来已有众多的负波速实验成功[5-16]，在实验室中观察到超前波已不是一件困难的事，那么在今天他也会认为超前解存在是合理的，不应当被抛弃。

1992年J.Gleick[17]指出，物理学家通常会停留在滞后解上面，因为超前波在时间上是倒着运行，在发射出来之前就被接收到，令人难以理解。但超前波与任何波并无不同，只是它会向源头会聚集中。Gleick回顾说，1940年作为研究生的R.Feynman就电子自作用和互作用问题与他的导师J.Wheeler讨论，后者建议他考虑超前波。结果是他们二人提出了“吸收者理论”(theory of absorber)，笔者认为吸收者一词其实就是我们都熟悉的负载作用(loading action)。……1945年J.Wheeler和R.Feynman[18]在其论文“作为辐射机制的与吸收者的相互作用”中，坚持认为必须考虑Maxwell方程的两个解——滞后解和超前解；并称后者为“the advanced Lienard-Wiechert solutions of Maxwell equations”，正是它造成了“物理作用的超前效应”(advanced effects of action)。不过笔者觉得他们当时还是非常小心慎重地提出有关概念的，这可由他们建议的下述关系式中看出：

(16)

并说等式右方的前项是与粒子电磁质量(按Lorentz的说法)相对应的，后项造成辐射作用的力。……从今天即2014年的观点来看，此论文迈出的步子不大，避免说超前场可以单独存在(甚至在某种情况下起突出的作用)，而是像一个仆人躲在主人(滞后场)的身边。但无论如何，这是一个呼吁(“不要抛弃超前解”)，且与Stratton的想法相呼应；因此今天我们说“怀念Wheeler和Feynman”仍是有充足理由的！

2000年英国名刊《Nature》发表了王力军小组完成的“光脉冲以负群速(NGV)通过铯气小室(cell)”的超光速实验，即WKD实验[6]，它引发了争论。笔者曾两次邀请王力军从国外回北京在学术会议上报告他的工作，又曾多次发表我对WKD实验的看法[19-22]，此处不赘述。这里只叙述2002年刘辽[23]发表的观点。他首先讲对WKD实验的理解——在铯(Cs)原子气室的反常色散区群折射率(群速指数)为

(17)

式中n=n(f)是相折射率；故光脉冲群速为负速度：

(18)

式中c是真空中光速；故光脉冲经过cell的时间为

(19)

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

笔者认为资深相对论学者刘辽教授的论文有重要意义，它敏锐地提出负群速(NGV)实验就是超前波存在的证明，与此同时又对Causality作出了新的定义和诠释；这两点是该文的主要贡献。不足之处也有两条：首先，文章说WKD实验结果vg虽为负，但如取绝对值，是亚光速(|vg|=c/310c)乃至负群速(vg<0)表明超前解是可以“经常在起作用”的。

尽管如此，我们仍然认为刘辽文章是一篇出色的论文。结合在他之前与之后的科学界各种进展，我们可以说“超前波从幕后走到了台前”，甚至已经走到了聚光灯下。

3 “前往未来”的可实现性

刘辽文章不仅承认WKD实验“对通常理解的因果律的时序的绝对性提出了挑战”，而且认为该实验是“人们首次在实验室中实现了某种类型的时间机器”。这个观点不仅有趣，而且应看成该文的另一项贡献。众所周知，1895年H.G.Wells最早提出了时间机器的设想(以科幻小说的形式)，自那以后百余年来成为经久不衰的话题。由于时间机器，人类可以自由地从现在回到过去或前往未来。

2000年刘辽在接见记者时说，中国古代思想家惠施早在约公元前300年就提出了时间旅行的概念——“今日适越而昔来”，意思是说今天出发去“越”地，昨天就到达了；如何能实现“到达早于出发”？只有逆时间而行。他还说，要想制造虫洞(wormholes)来实现时空旅行，要有大量的负能量。宇宙中虽有负能物质，但非常少；而用宏观方法是无法制造负能量的，只能用微观的(量子力学)方法获得，但数量极其微小。想循此制造时间机器极为困难。

近年来有理论物理学家提出时间旅行的各种设想方案。然而笔者注意到一个有趣的现象：经常有人认为“前往未来”要比“回到过去”容易。这样说是有道理的，笔者认为有三方面的原因；首先，“回到过去”总是面临重大的逻辑难题——例如“祖父悖论”，假如时间旅行者(time traveler)回到过去杀死了未婚的祖父，那么他自己便不会出生；既然他并不存在，那么他也不可能回到过去提前杀死祖父；如是继续……。虽然不断有理论物理学家作出努力想绕开这个困难，但至今仍然缺少真正有力量的论述出现。其次，人类在“现在”的现实存在是另一个对预测未来有利的因素。人的存在意味着已有海量的知识积累，它们是对客观规律的认识和总结；假如物理过程大体上循着线性化方向发展，据此就可以从现状推测将来。更何况人们已掌握了许多先进的科技仪器和方法，可以帮助人们认识未来将会发生的情况——天气预报技术的改进就是一个很好的例子。

另外，我们必须着重指出，目前在各国实验室中大量进行的负波速(主要是负群速NGV)实验，本质上是超前波实验，已包含了“进入未来”的意蕴。即使只有若干ns的量级，但由于在时间上超前，当然也就是微小地进入未来。正因为如此，刘辽才说NGV实验(以WKD实验为例)是“人们首次在验室中实现了某种类型的时间机器”；这是一位物理学家的正确判断。……虽然也有人提出NGV实验中是否携带信息的问题，但这已是更深层次的问题——我们如既能从未来(提前)获得信息，又能从现在向未来发送信息，这是一种理想境界。

以上给出了“前往未来”比“回到过去”容易实现的一些理由。现在我们提出另一个论据，即所谓“暂停生命”的方法——如果用最先进的科技手段(如超低温方法)使人的生命“暂停”(但却未死亡)，那么从理论上讲或许能使人“访问”百年甚至数百年以后的世界。这虽然极其困难，但却是一种从概念上可以成立的“前往未来”的方法，突破了目前人的寿命限制。

总之，“前往未来”与“回到过去”是不同的，前者更具有可实现性；这是本文的基本观点。……然而，“前往未来”也是有悖论的——某人预知在未来会发生不好的事情，遂提前采取措施避免其发生；这样，该事情最终没有发生。但在“什么都未发生”的过程中，该人又怎能知道“那件事情有可能发生”呢？别人无法判断，究竟是由于该人采取了预防措施而使其本来会发生而没有发生，还是根本就没有发生该事的可能性，那些措施全是无的放矢？如何避免悖论是一个待研究的问题。……最后我们必须说，本节是把两个层次的事情(预知未来和前往未来)混合讨论了；但这两者却是很不相同的！

4 确定性、因果性、非线性和突变性

把现有规律线性地延伸到将来从而“预测未来”，可能是有问题的，因此需要进行更深入的讨论。有一个科学名词叫确定性，英文为definity或certainty。这是一种信念，认为大自然在本质上可以预测：一切事件都由一个在先的原因所决定，并遵循一定规律。问题仅在于找到那个规律及掌握初始状态，则由现在可以精确地推出未来[27]。1814年P.Laplace说：“世界的未来可以由其过去决定；只要掌握世界在任一给定时刻的状态(用数学表示)，就能预测未来”。这是确定论因果性的典型观点。19世纪末J.H.Poincarè发现，一些微分方程(例如Hamilton方程类型)的可解性及解值敏感地依赖于其初始条件——后者的微小变化可以导致解值巨变或无解。这一发现使“可预测性”不成为规律，在哲学观上与Laplace相对立。因此Poincarè走向了非确定论，该理论认为系统的状态中任意小的不确定因素可能会逐步变大致使未来不可预测。Poincarè有一个贡献是对三体问题进行研究，从而在天体轨道的分析中发现了新的概念——混沌(chaos)。和以前的科学家一样，他解方程组、求定量解没有成功，但在定性研究方面开辟了新天地。他提出假想的n维空间——相空间概念，在相空间中每个点都代表系统的一个状态。分析结论是：渐近解有无数周期不同的序列，也有无数非周期序列——后者即混沌，它对初始条件或状态是敏感依赖的。他喜欢说的一句话是：“预测是不可能的”。这也损害了因果性原则。

到了20世纪，持确定论因果性观点的典型人物首推Einstein。1920年1月20日Einstein致信M.Born说：“关于因果性问题使我很伤脑筋；光的量子吸收和发射是否有朝一日可在完全因果性的意义下去理解，还是要留下统计性尾巴……要放弃完全的因果性，我将非常难受。”[28]1924年4月29日，Einstein在致M.Born的信中写道：“在有比迄今更有力的反对严格因果性证据之前，我不会放弃……我不能容忍下述想法：受光照射的一个电子会由其自由意志来选择跳开时间和方向……不错，我要给量子以明确形式的尝试一再失败了，但我不想长久放弃希望。”1924年在致M.Born的信中Einstein又说：“量子力学理论有很大贡献，但并不使我们更接近上帝的奥秘。无论如何，我相信他不是在掷骰子。”……他的话传播很广，但并不正确；“上帝”(自然界)不仅掷骰子，而且常常掷在人们意想不到的地方。……据说N.Bohr在1927年曾对Einstein说：“你不能告诉上帝该怎么做”。

1927年3月，W.K.Heisenberg提出了量子力学(QM)中著名的测不准关系式。它告诉人们，微观粒子的运行总有无法消除的不确定性，亦即在微观世界中事件的发生常常是没有原因的。实际上，正是量子理论对确定论提出了最大的挑战。从1927年10月开始，Einstein表明了对测不准关系式的否定态度，并设计一些“思维实验”以证明该关系式的原理可以被超越。这个过程至少持续了10年，其中包括著名的EPR论文。总之，测不准关系式直接导致了不可预测性，量子世界挣脱了因果链的严密束缚。英国物理学家P.Davies说：“根据量子理论，没有因的情况下也可能有果”。中国著名量子力学家张永德[28]说，量子理论反对Einstein的客观实在论，因为它对事物的看法是简单、机械论的，背离态叠加原理和波粒二象性。此外，为QM所不容的是Lorentz变换不变性的理论基础——相对论性局域因果性。故也可认为量子理论与因果性相容，但与相对论性局域因果性不相容”。

著名化学家I.Prigogine于1969年发表的书《Exploring complexity)，认为自然界本质上是随机、不可逆、不断演化和非线性的，这才是真实的世界。这与Einstein的自然观、世界观不同。Prigogine用可能性取代了确定性。

众所周知，英国著名物理学家S.Hawking是反对时间旅行的可能性的，其根据是这种旅行违反因果律；为此他还提出了时序保护假设(chronology protection conjecture)。Hawking认为，在接近闭合类时区边界或Cauchy视界时，强真空涨落的极化能将毁掉这种特殊的时空结构，从而使闭合类时线(时间机器)不能存在。故他是承认广义相对论(GR)导致的时间可弯曲的观点，虽然笔者觉得说“时间也有形状”很荒唐。……他还问道：“如果时间旅行可以实现，为何我们身边从未发现有来自未来的时间旅行者？”当然Hawking此问只适用于批评“回到过去”的可能性，却不适合于讨论“前往未来”这样的命题。

2010年笔者指出[29]，一些文献把超光速运动发生时必然存在的时序相对性说成时间倒流，造成认识上的极大混乱。把因果性和狭义相对论(SR)两者同时神圣化的作法屏蔽了、阻塞了合理的讨论；然而因果性和对称性一样只是一种信念而非物理定律。在QM中微观粒子行为通常不可预测；如把粒子到达某处当作一个事件，它就可说是无原因的。无论Einstein或者后人都把因果性绝对化了。早在1933年Nobel物理奖委员会主席就曾在致词中说：“在微观世界中必须放弃因果关系的要求，物理定律所表示的是事件出现的几率”。……

在本节的最后我们简述关于事物发展中的非线性和突变性问题。笔者认为非线性不是障碍，因为它常可经由解析法而体现在方程式的非线性项中，从而仍然是有规律可循。典型例子如非线性Schrödinger方程和非线性Klein-Gordon方程。……更值得重视是突变性(mutaty)；这最早始于法国生物理学家G.Cuvier(1769-1832)提出的灾变说(catastrophy)；笔者认为它不是反对Darwin进化论，而是对后者的补充。1972年法国生物学家R.Thom[30]发表专著《稳定结构与形态发生学》，系统地论述了突变理论，其数学基础是拓扑学和非线性微分方程论中的不稳定奇点理论。Thom认为突变模型可解释自然界和人类社会中的许多现象。一个系统保持稳定的数学含意是：系统的势函数达到最小，而突变是从原有状态跳到另一个极小值。突变的原因消失后，突变结果会保持，只有更强大的动因才会引起变化。……我们认为Thom的理论对于人类预测未来的研究很有参考价值。

1859年Charles Darwin发表了他的名著《Origin of Species by means of Natural Selection》，中译名为《物种起源》，认为物种的进化经过长期演变，是一种自然选择的演化过程。这是一种渐变论的观点，不仅可用于生物学界和描述人类的发生发展，甚至后来被推广于社会学研究中。与此对照，突变论强调变化过程的间断或突然转换，包括突然来到的质变，其并未经过缓慢的“量变的积累导致质变”的过程。……其实我们可以从数学中的连续缓变函数(及相联系的微分方程)来理解渐变理论，从阶跃函数、δ函数(及相联系的奇点)来理解突变理论。两者都是现实地可能的自然状态；但当考虑突变论的因素时，必然会影响到我们对未来的预测。

那么该怎样看待量子理论与突变理论的关系？笔者认为情况较为复杂：一方面微观粒子的行为不像经典粒子那样有规可循，不定性即包含突变的可能；另一方面Schrödinger方程是一种渐变论的微分方程，如能确立初始波函数，仍然可以确定地掌握波函数在时空中的演化(它遵守幺正性要求或几率守恒要求)。如果黑洞真的存在，QM中的几率守恒或量子态幺正性演化不再成立，这就有了大问题。不久前Hawking说经长期研究他得出了“黑洞根本不存在”的结论，如果这样倒是解决了令人困惑的问题。

5 有给定的未来吗？

2003年I.Prigogine[31]出版了专著《Is future given?》，书名的意思是“未来给定了吗？”或“已将未来提供出来了吗？”2005年的中译本译作《未来是定数吗？》，也是可以的。这本书值得细读，Prigogine提出了许多有价值的思想；但笔者觉得他的基本观点是“未来不可预测”，这就值得商榷了！本文一开始就举出天气预报的例子——尽管大气系统极其复杂而且变化迅速，很难设想人们可以预测明天、后天乃至一周后的天气状态；然而公众一直都习以为常地享受气象台的预测报告，据以安排自己的工作和生活。这里并不是说天气预报的准确性已经非常令人满意，但其为大体正确是不容否认的。既如此，怎么能说“未来无法预测”？

但我们必须耐心揣摩他的观点。Prigogine认为，不可逆性改变了人们的自然观，未来不是可以给定的(future is no longer given)。世界由几率定律支配，并且由存在到演化(from being to becoming)。在他的认识中，过去的经典模型都是“可积系统”的描写，导致了确定论和时间可逆性。在前一方面，确定性导致可以预见过去和未来，排除了新事物出现的可能。在后一方面，经典物理、量子物理均无特定时间方向，过去和未来的作用相同。至于可积系统与非可积系统，最早是由H.Poincarè所定义的，但对Prigogine有强烈影响——实际上他认为自然界总体讲是不可积的，因而导致新涨落和优先时间方向的出现。他明确说：“我们周围的宇宙基本上是由不可积系统形成的。”他对经典力学、相对论力学、量子力学(QM)都不满意，认为这些理论未对过去和未来作出区分，时间只不过是一个没有方向的参量，即过去和未来是等价的。他并不想摧毁这些科学上的“惊人成就”，而是要作些修正，引入一些新的知识元素。他希望提出新的动力学规律，并作为不可逆过程的理论基础。他引入了时间对称性破缺，并认为自己的理论是量子理论的扩展。

Prigogine认为动力学系统一般是不可积的，而科学研究的重点应放在不可积的大庞加莱系统(large Poincarè systems，LPS)上面。例如对象含有大量粒子的热力学系统就是LPS。……正是这种LPS，引出了经典力学和量子力学都不曾考虑过的新效应；有关理论也可用到物理学中场和粒子的关系，而不可积的场是有相互作用的、有无限多自由度的系统。不仅如此，他还建议把有关理论推广到人文(社会科学)的领域。

Prigogine是化学家出身的科学家，他把动力学、热力学、几率理论等联系起来作综合研究，思维宽阔深入。但笔者认为他对量子理论的看法仍停在表面，基本论点也有可商榷之处。“预测未来”并不表示人们已预知未来，正是因为“不知道”所以才要预测；这也就是“未来学”的真正含意。虽然中国至今尚无这个学科，但总有一天它将会建立。

Prigogine把量子物理与经典物理同等看待是完全错误的。在2011年发表的文章中[32]，笔者给出了5条量子理论所带来的独特性：

①在量子世界中测量将改变观察对象，而不做观察测量又无法获得认识，因而人们对“客观实在”的理解将变得模糊而不确定。如果说，客观实在本身在一定程度上取决于人对观察测量所做的选择，那么传统上认为客观世界与人无关的观念就将失效。

②QM认为不存在因果间的直接关系，经典物理学中奉为金科玉律的确定性因果律，对量子世界不再正确，因为事件与时间并不一定保持连续性、和谐性的关系，而可能突然、间断地变化。故事件常常不可预测，几率思维取代了因果思维。

③QM认为微观粒子可以从“无”中借来能量并超过更高的能量屏障(势垒)，其理论基础是W.Heisenberg的不确定性原理(测不准关系式)，而这个现象被赋予“量子隧道效应”的名称。

④QM还认为“真空不空”；正如J.Wheeler所说，真空里有剧烈的物理过程发生。量子场论的真空观不但与经典物理学不同，其观点已为反物质的发现而证明是有道理的。使用不确定性原理，可以证明在极短的时间内可以违反“能量守恒”，例如10-13s时间内一个电子和一个正电子可以从“无”中突然出现，然后又相互结合而湮灭。此外，在真空中会不断产生、又不断消失虚光子对。

⑤QM认为超光速是可能的，甚至无限大速度(物质间的超距作用)都有可能，这就是非局域性(non-locality，也译非定域性)现象。信仰Einstein局域性实在论的物理学家也承认，由于Aspect实验否定了Bell不等式，又由于近年对quark幽禁问题的研究结果表明基本粒子之间存在远距离相关，不仅西方科学家一般倾向于非局域QM，这些物理学家也不得不“容忍”非局域QM的存在，因为它有实验支持。

从以上5个方面看，量子物理学不但不呆板，而且显示出新颖性和勃勃生机。在这里我们还应指出，第⑤条与纠缠态(entangled state)有关，为量子信息学的建立和发展提供了理论基础。这些都是Prigogine不清楚或未予重视的。

6 关于量子时间机器

量子理论应用于对未来的预测是很自然的。2010年11月20日出版的《New Scientist》杂志(总期号No.2787)有一篇文章，作者J.Mullins[33]主要是报道美国麻省理工学院(MIT)S.Lloyd小组的研究工作。文章说，对于实在的时间旅行而言，通常认为有一个限制——例如倒霉的时间旅行者需行进到黑洞的边上，才能实现他的目标；这在实际上从未以实验测试过。然而加拿大物理学家S.Lloyd和A.Steinberg认为应用量子力学可以有新办法。……但在了解他的办法之前，笔者认为应先了解“量子后选择现象”(quantum post-selection effect)。美国著名物理学家John Wheeler在1979年提出一个思想实验，当时称为延迟选择实验(delayad choice experiment)。它突显了量子理论与经典物理在实在问题上的深刻分歧，集中展现出量子力学对传统实在性观念的挑战。1984年，美国Maryland大学的C.Alley等对这个思想作了实验室中的实际展示。Wheeler的设计如下：一个极弱的光源置于有一对平行狭缝的屏幕(S1)之前，该屏之后较远处放有屏幕(S2)。正如传统的Young实验一样，S2上面会产生干涉条纹，反映光波不同相位的影响。但是，如果进一步降低光源的辐射，以致一次只有一个光子通过S1，仍有干涉图案出现。如光子只通过一个狭缝，就难以解释。

现在于S1背后安装两个光子检测器(photon detectors)，并且是每缝一个，以观察每个光子通过哪个狭缝。然而，每当实验者确定了光子的通道，干涉图形就不出现。这时实验者可以选择，或看光子朝向何处并破坏其波状行为，或选择不看并允许光子体现其波性；这就是归结为选择粒子或波动。光子可能两者都是，但不是在同一时间，某种程度上取决于实验者的选择。现在，又于S2背后安装两个观测镜(telescopes)，也是每缝一个，以推断任一指定光子从哪个窄缝中显现出来。但是，这样做就破坏了干涉图形。因此，实验者的观测影响过去的自然界(光子是否呈现波性或粒子性)。这种怪现象被称为“量子的后选择”(quantum post-selection)，表示观测者的选择能影响光子前期的行为。

Wheeler的“延迟选择”思想可改造为以下实验——减弱光源辐射使其只发出一个个光子，并且是在前一个光子打在S2上之后再发出后一个光子。S2先呈现随机性图形，但在光子增多后逐渐显出干涉条纹。对此，如认为将发出的光子与已达S2的光子发生干涉，即表示尚未发生的事件与已完成的事件互相作用，违反了因果律。故可认为每个光子都和自己干涉，而这只在光子同时通过双缝才能办到。一个光子同时走两条路，在经典物理中是不可能的，说明光子具有奇异的性质。

可以看出，为了研究使用量子原理的时间旅行，应先了解“量子后选择”现象的本质。2010年Lloyd采取的方法是，使用下述量子效应——量子粒子(如光子、电子)并不由时间箭头所限定。例如量子粒子的未来可以影响过去，在J.Wheeler实验中，一个未被观察的光子同时经过双缝。之所以知道一个光子可同时通过双缝，是因为终端屏上有干涉图案出现；如光子只通过单缝，是不会有的。

但如用两个检测器观察各个狭缝，企图确定光子的通过何者，干涉图形就不出现。这表示实验者可作出选择——或是粒子(无波性)，或是(不观察)从而呈现波性。总之实验者观测可决定早先的情况(光子呈现粒子或波)，故观测者后来的选择可影响光子前期行为(the photon can be affected by a measurement that take place after the experimanet is ostensibly finished)。必须指出，欧洲人近年来已用实验证明后选择确实在若干纳秒程度上影响光子特性，故有一种说法是“后选择可改变宇宙的历史”(the post selection process could even change the entire history of the universe)；不过笔者觉得这样讲有些夸张。回到Lloyd-Steinberg建议的方法；他们认为，我们日常经验告诉我们开始的状态决定着未来。但是量子粒子无法区分时间的前向和反向。这也意味着确定未来状态可以决定发生在它之前的事情。……在他们之前，C.Bennett和B.Schumacher曾经提出，可以利用量子纠缠(quantum entanglement)来建立时间机器。利用两个粒子(如光子)使它们变得非常密切相关，它们共享存在。纠缠粒子是特殊的，因为对其中一个的测量会影响到其他粒子，无论它们相距有多远。现在想象你想传送一个第三粒子从A到B；诀窍在于创造一对纠缠粒子，并将其中一个放在A，另一个放在B，然后在两个地方进行一系列的测量。如果你能做到这一点，就可以确保第二个粒子最终的状态和“太空旅行者”是一样的。

准确地说，旅行者身体并没有移动。只是量子的信息完全描述了旅行者，从而完成这次旅行，这允许第二个粒子B具有旅行者的身份。令人好奇是这种传送发生在一瞬间。在这个过程中，量子信息从A点到B点。因此，很自然的让人想到只通过在A点的测量来完成这次旅行。但是由于隐形传输是瞬间发生的，这仅仅当作一个考虑测量点B引发行程的依据，即使它后来发生了。图1表示处于“现在”的女孩Alice要求处在“未来”的男孩Bob通过量子隐形传态送给她一个消息，图中Alice和Bob具有纠缠光子对(都叫A)；以后：(1)Alice传送一个消息(通过测量纠缠光子而译码为光子X)；(2)Bob测量自身的光子时得到消息；(3)后选择作用表示，它是在未来的Bob测量，造成Alice的光子具有该性质；(4)根据后选择作用，这是等效为Bob逆时间发送消息。……这是作用中的后选择，有这样一个特征，即如同量子计算，量子物理学利用所有的时间来做事。正是利用因果间的模糊关系，Steinberg和Lloyd开发了时间旅行模拟器。Steinberg说，“本质上，时间旅行刚好就是隐形传输”。

图1 显示量子后选择作用的示意图

把它称作时间旅行是不是有些夸张?也许是，相同的方式是量子的隐形传输传递的是量子的状态而不是物质材料本身。然而，Lloyd和Steinberg争辩道：“后选择隐形传输的逻辑与时间旅行一致，所以我们的实验就是一个时间旅行模拟器。然而，它不能把人带回恐龙时代，它还有很多特别的事情要做。”Lloyd和Steinberg团队首先做的事情是，通过将光子送回来杀死它本身模拟祖父悖论。团队使用隐形传输来做这个，是个重要的转折。传统的量子隐形传输保证给你一个打算传输的副本状态。Lloyd和Steinberg想知道这是否会为光子用量子枪杀死自己而工作。

从实际的角度看，他们的仿真要求两项额外功能。一是要有一把能够发射子弹的量子枪，二是要有一种方法使传送过程自发停止。这个团队同时还决定，不采取量子传送中常见的追踪两个光子的方式，而是追踪单个光子的两项属性。具体说，光子的偏振方式代表光子“现有”的状态，而它的运动方向代表它“过去”的状态。在此基础上，他们会给这个光子配上一把量子枪，既可以发射子弹，也可以自发终止量子传送过程。这个设备又叫做波片，能够改变光子的偏振方式。这是因为光子的偏振方式和运动方向都是被追踪的，光子也被配发了量子枪，以影响它“过去”的状态。

现在，如何确保在必要时传送过程能够自动停止呢?其实这比前一项工作还简单，因为量子传送过程本身，就有内建的终止机制。除非你采用特别的方式进行测量，否则，在整个传送过程中，量子真正处在工作状态的时间只占到25%的比例。所以，在这个小组的实验中，实际有4个可能的结果，取决于传送过程和量子枪所处的状态。

而在这个实验完成之后，会发生一些有趣的事情：在每一个单独的时间节点，如果时间旅行启动，量子枪就无法开启。而一旦时间旅行无法启动，量子枪就会工作。从祖父悖论的角度来看，只要你的枪有一定几率无法发射，并且所谓的暗杀也宣告失败的话，时间旅行就可能启动。Lloyd说：“你可以举枪瞄准，但是无法扣动扳机。”

Lloyd和Steinberg的实验激起了人们对时间旅行的兴趣，尤其是它不依赖于广义相对论(GR)的时空扭曲、闭合类时曲线那一套，也不依靠黑洞、虫洞、多世界(多元宇宙)这些东西。新的思维建立在量子后选择的基础上，并认为时间旅行在理论上可行。……虽然上述内容主要考虑的是“回到过去”而非“前往未来”，仍然是本文应当介绍的内容，因为可以促进思考——过去和未来毕竟不是无关的。

7 关于地震预报[34]

在科学研究的基础上预测未来，这不但不是奇谈怪论，而是实际上人们正在做的工作。除了天气预报的例子，另一个重要领域是地震预报。这是十分困难的，尤其是对几个要素(发生地震的时间、地点和震级)的准确指示，成功的先例尚不多。但在全世界有许多科学工作者献身于此，如能做到就可以避免生命财产的巨大损失。

全世界每年要发生100～200次强地震，约18次7级以上的大地震，l～2次8级以上的特大地震。1999年9月发生大地震3次(土耳其、希腊、我国台湾省)，造成严重的人员伤亡及财产损失。2014年第一季度的大地震次数是1979年以来平均次数的两倍多。中国是地震多发国家，研究地震发生的规律和预报的方法，以尽力减少灾害损失，是科学工作者责无旁贷的任务。

地震观测系统是多学科性质的，这是因为地球本身是一个复杂的巨型系统，而人们对于地震发生的规律又知之甚少。这中间包括地电、地磁、电磁波方面的观测，地震电磁学就是在这样的背景下产生的。我们先看1995年1月17日发生在日本关西神户地区(兵库县南部)的大地震。在震前，研究机构曾发现地壳的南北方向运动，也发现电磁波异常。……日本京都大学早在1994年曾预报了北海道以东海中的8级大地震，是由于记录到当时发生的超长波(频率f<15kHz的波)；这次虽也记录到超长波异常，在陆地难以确定具体地点，所以未能对地震的发生作出预报。

大地震发生之前，广大地区会发生相当强的电磁波。这就会导致家用电器异常，1995年1月15日兵库县就发现了电视机、电冰箱异常。此外，也可能在地震发生前72小时内使人感到恶心、烦燥、头晕、头痛等，也是由电磁场变化所造成。

早在1993年，日本电气通信大学的研究人员就把能够测量地下电磁波的装置安在筑波市的某处，它包括埋在地下的天线、磁传感器、相位测定器等。首先，该装置须确定电磁波传来的方向；其次是确定电磁波的频率，主要是LF频段(30kHz～300kHz)，同时注意VLF频段(1kHz左右)。

阪神大地震是二战后在日本发生的最大地震。在那以后，日本政府投入巨资开展地震综合研究。其中，理化研究所负责测量和分析伴随地震发生而导致的电磁现象——包括地面、空中和电离层；宇宙开发团负责测量地震发生前的电磁波混乱情况，有时测量工作是从宇宙空间进行。观测的频段不能限于低频，高频乃至超高频都需要观测。

众所周知，电磁现象与光学现象互有联系。典型的例子是闪电，它既是巨大的电流，又因使空气电离成为导体而发出闪光。……在研究地震时，必须了解在地表以下弥漫着巨大的物理应力；尤其在地震前，岩石、板块受到巨大压力，而其中又不乏晶体结构，故会产生强大的局部电场，足以产生光球和光柱，也会影响到天空中云的色彩。这就为人们预测地震提供了线索。所谓“地震云”是指这样的自然景观：红色或粉红色，大片地浮在天空，从震源方向起呈放射状。日本人多有地震云的目击者，他们认为在发生大地震前均可看到这种光彩或云。这其实是强大的电磁场造成的发光现象。

对地震前发生的电磁波的观测必须是立体的，即包括海底、地下、地表、和空中。所谓“空中”的范围，是从距地面几公里直到数百公里的高度。显然，全面开展这样的监视、观测，需要巨大的投资，技术上也有很大困难。

1994年12月，在美国加州Packfield地方安装的地磁仪记录了一个罕见的电磁信号，一周后该地发生了5级地震。震后的一个月里，该信号仍不断出现。法国科学家分析说，该信号可能是地壳深层的水源的移动造成的；该移动来自岩石和板块的压力，导致地电流和磁场改变。地磁仪观测目前仍在进行。

与地磁测量相联系的是对地球磁场展开大规模的研究。对此，美国San Cruse加州大学的科学家已用巨型电子计算机建立了一个数学物理模型。他们在1999年5月声称，已完成了描述地磁活动的方程的数值解法，已接近于揭开地球磁场的奥秘。

在空中，国际科学界对于使用人造地球卫星监测和预报地震发生抱有很大的期望。早在1990年，在伊朗发生一次大地震前，一颗俄罗斯卫星就曾收到过一种独特的干扰信号，是在短波波段。这使俄国科学家相信，有必要研制地震预测卫星，以监视整个大气层(包括电离层)。理论和实践都表明，大地震无一例外地引起电离层的局部变化；因而俄罗斯研制了地震预测卫星Prevestnik，把它射入高度450km的环地球轨道。由俄罗斯航天局资助、计划化费700万美元的卫星，可在地震发生的2小时至2天前发出警报。它将布置在多发地震的俄罗斯远东地区的上空。

关于从太空预测地震，中国科学家也已开展了研究。《中国科学》杂志(1998年第6期)报道说，强祖基等一批科学家利用气象卫星上的红外扫描仪拍摄一系列图像，用此法发现亮温增温进行发生地震的短临预报，取得了某些成功。据认为，地震前地壳中的岩层受到巨大压力时，CH4等气体溢出地表或水面；同时，由于地下水剧烈运动，使带电粒子传向地表，构成瞬态电场。结果，在电场中CH4、N2、CO2等气体获得能量，产生能级跃迁后释放热量，最终出现低空大气升温异常。……这项研究引起了各方面的重视。

8 结束语

企图用“手相学”和“占星术”预测人的命运(即预测未来)有悠久的历史；前者观察手掌心纹路的走向，后者根据人的出生时间寻找与天上星座的对应关系。这些作法缺乏科学性，不是本文要讨论的内容。……可以看得很清楚，说“未来无法预测”肯定不对；人类社会已为天气预报、地震预报设立了专业性很强的机构，取得了可观的成就。但在另一方面，说“未来的一切已掌握在我们手中”却与事实不符，无法令人信服。

无论如何，人类迄今已积累起来的庞大知识体系可以帮助我们预测未来和探索未来。对于“Prigogine之问”，笔者认为可以从几方面作出回答：①客观世界既有规律可循，又常常是无规、随机、非线性、突变性的，因而预测未来既是可能的又是极其困难的，需要针对具体问题作具体的分析才能判定；②对于量子物理学实验(例如WKD实验是一个量子光学实验)，用因果性要求去批评完全没有道理；对于经典物理实验(例如用非量子原理和技术进行的负波速实验)，可以提出因果性要求，但应以对causality的“刘辽解释”为基础，而不是死守时序上的“因先于果”；③从总体上讲未知事物大量存在，未来充满了不确定性，对此人类应当有足够的思想准备；④正是量子理论的独特性质(例如纠缠态、量子后选择等)为设计时间旅行的新方法奠定了基础，深化了对“回到过去”和“前往未来”的讨论，成为未来学研究中的新希望。⑤人类必须做好现在的事情，才会有美好的未来。

[1]苗春生.现代天气预报教程[M].北京：气象出版社，2013.

[2]Kline M.Mathematical thought from ancient to modern times[M].London：Oxford Univ Press，1972.

[3]毕德显.电磁场理论[M].北京：电子工业出版社，1985.

[4]Stratton J A.Electromagnetic Theory[M].New York：Mc Graw-Hill，1941.

[5]Chu S，Wong S.Linear pulse propagation in an absorbing medium[J].Phys Rev Lett，1982，48(11)：738-741

[6]Wang L J(王力军)，Kuzmich A，Dogariu A.Gain-assisted superluminal light propagation[J].Nature.2000，406：277-279.

[7]Wynne K，Jaroszynski D A.Superluminal terahertz pulses[J].Optics Letters，1999，24(1)：25-27.

[8]Wynne K.Tunneling of single cycle terahertz pulses through waveguides[J].Optics Communication，2000，176：429-435.

[9]Munday J N，Robertson W M.Negative group Velocity pulse tunneling through a coaxial photinic crystal[J].Appl Phys Lett，2002，81(11)：2127-2129.

[10]陈徐宗，肖峰，李路明等.光脉冲在电磁感应介质中的超慢群速与负群速传播实验研究[J].北京广播学院学报(自然科学版)增刊，2004，11：19-26.

[11]Gehring G M，et a1.Observation of backward pulse propagation through a medium with a negative group velocity[J].Science，2006，312(12 May)：895-897.

[12]Budko N V.Observation of locally negative velocity of the electromagnetic field in free space[J].Phys Rev Lett，2009，102：02040l，1-4.

[13]Zhang L.(张亮)，et a1.Supertuminal propagation at negative group velocity in optical fibers based on Brillouin lasing oscillation[J].Phys Rev Lett，2011，107(9)：093903，1-5.

[14]Glasser R T.Stimulated generation of superluminal light pulses via four-wave mixing[J].arXiv：1204.0810vl[quant ph]，2012，1-5.

[15]Carot A.Giant negative group time delay by microwave adaptors[J].Euro Phys Lett，2012，98(June)：64002.1-4.

[16]Jiang R(姜荣)，Huang Z X(黄志洵)，Miao J Y(缪京元)，Liu X M(刘欣萌).Negative group velocity pulse propagation through a left-handad transmission line[J].Optics Communication，Submissions waiting for approval，BE-4408.

[17]Gleick J.Gennius：the life and science of Richard Feynman[M].New York：Newton Publishing Co，1992.

[18]Wheeler J A，Feynman R R.Interaction with the absorber as the mechanism of radiation[J].Rev Mod Phys，1945，17(2/3)：157-181.

[19]黄志洵.超光速研究新进展[M].北京：国防工业出版社，2002.

[20]黄志洵.负波速研究进展[J].前沿科学，2012.6(1)：46-66.

[21]黄志洵.电磁波负性运动与媒质负电磁参数[J].中国传媒大学学报(自然科学版)，2013，20(4)：39-53.

[22]黄志洵.超光速物理学研究的若干问题[J].中国传媒大学学报(自然科学版)，2013，20(6)：1-19.

[23]刘辽.试论王力军实验的意义[J].现代物理知识，2002，14(1)：27-29.

[24]Brillouin L.Wave propagation and group velocity[M].New York：Academic Press，1960.

[25]周光召等.中国大百科全书——物理学[M].北京：中国大百科全书出版社，2009.

[26]黄志洵.自由空间中天线近区场的类消失态超光速现象[J].中国传媒大学学报(自然科学版).2013，20(2)：7-18.

[27]黄志洵.影响物理学发展的8个问题[J].前沿科学，2013，7(3)：59-85.

[28]张永德.量子理论与定域因果律相容吗？柯善哲等编.量子力学朝花夕拾[M].北京：科学出版社，2007.

[29]美志洵.超光速实验的一个新方案[J].前沿科学：2010，4(3)：41-62.

[30]Thom R.Stabilitè structurelle et morphogènès[M].Paris：Langmuir Publ，1972.

[31]Prigogine I.Is future given? [M].Singapore：World Scientific Publ，2003.(中译本：曾国屏译.未来是定数吗？上海：世纪出版集团，2005.)

[32]黄志洵.波科学的数理逻辑[M].北京：中国计量出版社，2011.

[33]Mullins J.The quantum time machine[J].New Scientist，2010，(20)：34-37.

[34]黄志洵.电磁学对地震活动性和预测的研究[N]，中国电子报，1999-11-11.