制圖：Patryk Hardziej

　　在某個不為人所知的區(qū)域，有一個與我們宇宙完全鏡像的平行宇宙存在？為了驗證這個看上去瘋狂的假說，實驗物理學家已經(jīng)開始了行動。如能證實鏡像宇宙的存在，暗物質(zhì)謎題也可能迎刃而解。

　　撰文：邁克爾·布魯克斯（Michael Brooks）
　　翻譯：王語嫣
　　審校：吳非

　　第一眼看上去，一切都很熟悉。墻上的鐘表滴滴答答地走著，汽車從窗外呼嘯而過，你閱讀的故事書上有引人入勝的插圖。然而，有點不對勁：鐘表在逆著走，汽車在道路上逆行，你看的故事也是從后往前寫的。突然間你意識到：原來你在看的是自己的鏡像。

　　這個鏡子另一端的離奇世界在你看來或許非常不真實。而利婭·布魯薩爾（Leah Broussard）認為，一個一切都翻轉(zhuǎn)過來的平行宇宙很有可能存在。她與其他田納西橡樹嶺國家實驗室的同事們一起，努力尋找與我們的宇宙呈鏡像翻轉(zhuǎn)的宇宙。那里有鏡像的原子、鏡像的分子、鏡像的恒星與行星，甚至鏡像的生命。

　　在過去幾十年中，不斷有誘人的線索提示著這樣一個世界的存在。現(xiàn)在，終于有實驗準備驗證這一理論了。如果鏡像宇宙存在，它不僅能夠改變我們對現(xiàn)實的認知，更將解答在過去幾十年中，科學家們對于宇宙的疑惑。“這背后的意義會非常令人震驚。”布魯薩爾說。

　　鏡子對面的隱秘世界

　　在此之前，科學家就曾發(fā)現(xiàn)過“新世界”。1928 年，保羅·狄拉克（Paul Dirac）發(fā)現(xiàn)，量子力學的公式中可能隱藏著以前從未觀測過的粒子。他提出，宇宙中存在著另一組微觀粒子，它們能組成與我們熟知的微觀粒子完全一樣，但電荷相反的粒子。這個隱藏的反物質(zhì)世界使我們已知的微觀粒子數(shù)量又增加了一倍。

　　但這還沒完。1933 年，瑞士天文學家弗里茨·茲維基（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn)，星系團的旋轉(zhuǎn)特征表明，它們之間受到的引力作用力比其可觀測質(zhì)量所能產(chǎn)生的力要大得多。

　　70 年代，美國的天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）也在星系團中發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象?，F(xiàn)在，我們認為每個星系中都存在暗物質(zhì)，其與可見物質(zhì)的比例大概是5:1。然而，盡管以各種方式搜尋多年，我們從來沒有直接找到過這種物質(zhì)。

　　反物質(zhì)與暗物質(zhì)已經(jīng)進入主流科學研究領(lǐng)域。但或許，那個神秘的新世界已經(jīng)在暗處隱藏了 60 多年，等待著我們發(fā)現(xiàn)。1956 年，李政道與楊振寧發(fā)現(xiàn)了宇稱不守恒。在此之前，科學家一直假設(shè)所有的物理過程都會遵循一定的對稱原則。這意味著，物理規(guī)律在某種變換下會保持不變。

　　在粒子物理界的對稱叫做宇稱。宇稱守恒規(guī)定了，當粒子的所有位置和方向都鏡像翻轉(zhuǎn)時，粒子的性質(zhì)依舊保持不變。李政道與楊振寧提出了一個實驗，來檢驗宇稱不守恒的存在。華裔物理學家吳健雄完成了這個實驗，并證明宇稱不守恒的確存在。這個關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)使李政道和楊振寧獲得了下一年的諾貝爾物理學獎。

　　對于宇稱不守恒，李政道與楊振寧給出一個有點古怪的解釋。他們提出，宇稱實際上是守恒的。我們之所以觀測到不守恒，是因為我們只看到了完整畫面的一半。“他們認為，在我們的宇宙中觀測到這些粒子的宇稱不守恒，是因為在其他地方存在相反的粒子（反粒子），也顯現(xiàn)出同樣的宇稱不守恒性，”意大利拉奎拉大學的祖拉布·別列吉阿尼（Zurab Berezhiani）說，“因此，總的來講宇稱還是守恒的。”

　　這個“鏡像物質(zhì)世界”的觀點在當時并沒有得到認可，且還需要面對很多基本粒子物理的棘手問題。而現(xiàn)在，像布魯薩爾和別列吉阿尼這樣的研究者開始重新審視這個觀點。別列吉阿尼說，實際上，或許我們很久前就已經(jīng)觀察到“鏡像世界”存在的痕跡了。

　　最明顯的是，我們可以通過中子的行為來窺見另外一個世界的痕跡。原子核外的中子（自由中子）會通過β衰變形成電子與質(zhì)子。幾十年來，我們一直在努力嘗試測量出自由中子的衰變時間，而得到的結(jié)果卻總是無法統(tǒng)一。

　　大致來講，測量自由中子的衰變時間有兩種方法——“瓶”方法與“束”方法。瓶實驗非常直觀：使用微弱磁場將一堆中子收束在瓶狀勢阱中，然后靜靜等待。一段時間后，統(tǒng)計勢阱中還剩多少中子。根據(jù)這種方法，中子在衰變前能夠存活的平均時間是 14 分鐘 39 秒。

　　而束實驗統(tǒng)計的則是一個核反應(yīng)堆中，一束中子射線中出現(xiàn)的質(zhì)子數(shù)。這種情況下，質(zhì)子只能作為中子衰變的產(chǎn)物出現(xiàn)。這種方法測量出的中子平均壽命是 14 分鐘 48 秒。而問題是，“這兩個結(jié)果應(yīng)該是一樣的。”別列吉阿尼說。

　　最開始，物理學家們認為那多出來的 9 秒鐘只是實驗誤差而已。但當我們不斷改進實驗設(shè)備，加強實驗精確度之后，結(jié)果卻愈加明顯。根據(jù)這兩項實驗，似乎有兩個不同的中子衰變周期。

　　如果鏡像世界真的存在，那么它就應(yīng)該是造成實驗結(jié)果差異的原因。這個模型的要點是，中子會在兩個世界之間來回振蕩，別列吉阿尼解釋說：“當中子穿過磁場時，振蕩的可能性增加了。”這是個令人驚掉下巴的推論。中子只是暫時“借住”在我們這個宇宙，余下的時間中它處于現(xiàn)實鏡面的另一側(cè)，放射出的質(zhì)子我們也無法探測到。

　　如果在一百個中子中，有一個恰巧在釋放出質(zhì)子之前穿越到另一端的對稱世界，那么我們就探測不到它釋放出的質(zhì)子。這就解釋了為什么射線實驗中中子的衰變時間要長一些。

　　尋找鏡像中子

　　鏡像理論能夠解釋的東西還有很多。“很多謎題都可以自然而然地用同樣的模型和參數(shù)解釋。”圣母大學的譚萬鵬（音）說。鏡像宇宙的模型甚至能夠為暗物質(zhì)的存在以及它難以被發(fā)現(xiàn)的原因提供一個合理的解釋。“鏡像中子似乎是暗物質(zhì)粒子的一種合理的解釋，”馬里蘭大學的理論物理學家拉賓德拉·莫哈帕特拉說，“這很有說服力。”

　　當你了解了應(yīng)該存在的鏡像粒子的種類有多少之后，你會覺得這個理論更加有說服力。為了與早期宇宙演化模型保持一致，宇宙鏡像部分的溫度應(yīng)該比我們的宇宙更低。如果熱量太高，那么鏡像粒子就可以更容易地穿過界限，增加我們這個宇宙的引力并改變宇宙演化的路徑。這種溫度差會使粒子更容易穿過鏡面，在不同的鏡像宇宙之間來回。解釋最完備的鏡像理論認為，每個粒子對應(yīng)五個鏡像粒子，正好與我們觀測到的暗物質(zhì)與可見物質(zhì)的比例吻合。

　　不僅如此，由于這些基本粒子組成了恒星、行星以及人類，我們可以合理懷疑，在其他宇宙中也存在鏡像的生命，或是其他我們無法想象的東西。“在鏡像宇宙里，事件發(fā)生的幾率是我們宇宙的 5 倍。”別列吉阿尼說。誰知道呢，說不定現(xiàn)在就有某個鏡像人類在試圖研究，為什么他們那個宇宙的暗物質(zhì)比可見物質(zhì)還要多五倍。

　　理論很好，但尋找相應(yīng)的證明卻十分困難。在宇宙的四種基本力——電磁力、強相互作用力、弱相互作用力與引力中，“宇宙的鏡像部分只能通過引力與我們相互作用，而引力對于實驗來說又太弱了。”田納西大學研究鏡像物質(zhì)的科學家尤里·卡米什科夫（Yuri Kamyshkov）說。

　　答案或許隱藏在更精密的中子衰變實驗里。2012 年，別列吉阿尼發(fā)表了一篇論文，闡述了瓶實驗捕捉到鏡像中子信號的可能性。他提出，一小部分鏡像物質(zhì)被地球自轉(zhuǎn)帶到了我們的宇宙。帶電的鏡像粒子（比如或鏡像電子）產(chǎn)生了一個鏡像的磁場，這會增加中子從我們宇宙穿越出去的可能性。

　　這個想法讓瑞士保羅謝爾研究中心的克魯斯·基爾希（Klaus Kirch）等人很感興趣。他們用了更加精密的儀器去檢測鏡像磁場影響中子衰變的可能性。

　　基爾希認為這個想法有點牽強，但研究起來非常有趣。他說：“我不太相信能夠探測到鏡像中子的信號，所以我們設(shè)計了實驗去證偽，然后看看結(jié)果如何。”實驗內(nèi)容包括向儀器施加不同的磁場，然后看其能否影響勢阱里中子的數(shù)量。據(jù)基爾希說，實驗現(xiàn)在已經(jīng)完成了，但是他的團隊還在分析結(jié)果。

　　布魯薩爾則在抱著興趣觀望。和其他橡樹嶺研究中心的同事們一道，她準備用更加精密的實驗來檢測別列吉阿尼的觀點。

　　實驗的原理非常簡單：向一面中子無法穿透的厚墻發(fā)射中子束，如果在墻的另一邊探測到了中子，就說明有中子進入了鏡像宇宙，從而沒有被厚墻阻擋，而且在撞到探測器之前又回到了我們的宇宙。“只有那些進入了鏡像宇宙后又回來的中子才能被探測到。”布魯薩爾說。

　　通過改變厚墻兩邊的磁場強度，布魯薩爾想看看她能不能找到合適的磁場強度及形狀，從而增加穿過墻的中子數(shù)量。“如果我的數(shù)字是正確的，那么他們應(yīng)該能觀察到一些現(xiàn)象。”別列吉阿尼說。

　　后續(xù)實驗

　　實驗儀器已經(jīng)搭建好，整裝待發(fā)。布魯薩爾現(xiàn)在正在和橡樹嶺實驗中心的實驗人員協(xié)商，商定一個合適的時間開展實驗。盡管她心情很激動，她卻并不期待第一次實驗就能實現(xiàn)突破——誰也不知道到底多大的磁場能夠有效地增加粒子穿越的可能性。“我認為，我們一個中子都探測不到。”她說。實際上，對于布魯薩爾，這次實驗的主要目的就是盡量縮小可能的有效磁場強度的范圍。

　　但如果基爾希團隊觀測到了與鏡像中子一致的信號，那么布魯薩爾和她的團隊就可以參考基爾希的結(jié)果，以找到合適的磁場強度。如果磁場的存在改變了勢阱內(nèi)中子的數(shù)量，那么或許就能夠證明，鏡像宇宙是存在的。

　　卡米什科夫現(xiàn)在正在與布魯薩爾合作。“盡管得到任何成果的可能性都很小，但這是一次簡單且并不昂貴的實驗，”卡米什科夫說，“如果一場物理學革命中可能會產(chǎn)生好的結(jié)果，那么我們必須嘗試。”

　　哪怕這些實驗真的證明的鏡像中子的存在，布魯薩爾說，我們還需要很多工作去證明它和暗物質(zhì)有關(guān)，以及找到通向其他鏡像區(qū)域的方法。“我想說，這是一個很好的開始，但我認為前方還有很多挑戰(zhàn)。”她說。

　　如果我們沒有找到鏡像中子呢？布魯薩爾可以肯定一件事情，就是鏡像理論并不會因此被拋棄。“理論物理學家一直很擅長躲避實驗物理學家給他們設(shè)下的陷阱。”她說。但考慮到物理學家用現(xiàn)行理論無法解釋的種種問題，你應(yīng)該能夠理解為什么他們要在鏡子中尋找答案了。

　　原文鏈接：

　　https://www.newscientist.com/article/mg24232330-200-weve-seen-signs-of-a-mirror-image-universe-that-is-touching-our-own/

　　相關(guān)論文：

　　Magnetic anomaly in UCN trapping: signal for neutron oscillations to parallel world?,

　　https://arxiv.org/abs/1203.1035

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的宇称不守恒，是因为我们忽略了镜像宇宙？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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