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难道有和我们镜像平行宇宙存在吗?

2019-06-18 16:25:30  来源:环球科学

撰文| 迈克尔·布鲁克斯(Michael Brooks)

在某个不为人所知的区域,有一个与我们宇宙完全镜像的平行宇宙存在?为了验证这个看上去疯狂的假说,实验物理学家已经开始了行动。如能证实镜像宇宙的存在,暗物质谜题也可能迎刃而解。

第一眼看上去,一切都很熟悉。墙上的钟表滴滴答答地走着,汽车从窗外呼啸而过,你阅读的故事书上有引人入胜的插图。然而,有点不对劲:钟表在逆着走,汽车在道路上逆行,你看的故事也是从后往前写的。突然间你意识到:原来你在看的是自己的镜像。

这个镜子另一端的离奇世界在你看来或许非常不真实。而利娅·布鲁萨尔(Leah Broussard)认为,一个一切都翻转过来的平行宇宙很有可能存在。她与其他田纳西橡树岭国家实验室的同事们一起,努力寻找与我们的宇宙呈镜像翻转的宇宙。那里有镜像的原子、镜像的分子、镜像的恒星与行星,甚至镜像的生命。

在过去几十年中,不断有诱人的线索提示着这样一个世界的存在。现在,终于有实验准备验证这一理论了。如果镜像宇宙存在,它不仅能够改变我们对现实的认知,更将解答在过去几十年中,科学家们对于宇宙的疑惑。“这背后的意义会非常令人震惊。”布鲁萨尔说。

镜子对面的隐秘世界

在此之前,科学家就曾发现过“新世界”。1928年,保罗·狄拉克(Paul Dirac)发现,量子力学的公式中可能隐藏着以前从未观测过的粒子。他提出,宇宙中存在着另一组微观粒子,它们能组成与我们熟知的微观粒子完全一样,但电荷相反的粒子。这个隐藏的反物质世界使我们已知的微观粒子数量又增加了一倍。

但这还没完。1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)发现,星系团的旋转特征表明,它们之间受到的引力作用力比其可观测质量所能产生的力要大得多。

70年代,美国的天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)也在星系团中发现了这个现象。现在,我们认为每个星系中都存在暗物质,其与可见物质的比例大概是5:1。然而,尽管以各种方式搜寻多年,我们从来没有直接找到过这种物质。

反物质与暗物质已经进入主流科学研究领域。但或许,那个神秘的新世界已经在暗处隐藏了60多年,等待着我们发现。1956年,李政道与杨振宁发现了宇称不守恒。在此之前,科学家一直假设所有的物理过程都会遵循一定的对称原则。这意味着,物理规律在某种变换下会保持不变。

在粒子物理界的对称叫做宇称。宇称守恒规定了,当粒子的所有位置和方向都镜像翻转时,粒子的性质依旧保持不变。李政道与杨振宁提出了一个实验,来检验宇称不守恒的存在。华裔物理学家吴健雄完成了这个实验,并证明宇称不守恒的确存在。这个关键的发现使李政道和杨振宁获得了下一年的诺贝尔物理学奖。

对于宇称不守恒,李政道与杨振宁给出一个有点古怪的解释。他们提出,宇称实际上是守恒的。我们之所以观测到不守恒,是因为我们只看到了完整画面的一半。“他们认为,在我们的宇宙中观测到这些粒子的宇称不守恒,是因为在其他地方存在相反的粒子(反粒子),也显现出同样的宇称不守恒性,”意大利拉奎拉大学的祖拉布·别列吉阿尼(Zurab Berezhiani)说,“因此,总的来讲宇称还是守恒的。”

这个“镜像物质世界”的观点在当时并没有得到认可,且还需要面对很多基本粒子物理的棘手问题。而现在,像布鲁萨尔和别列吉阿尼这样的研究者开始重新审视这个观点。别列吉阿尼说,实际上,或许我们很久前就已经观察到“镜像世界”存在的痕迹了。

最明显的是,我们可以通过中子的行为来窥见另外一个世界的痕迹。原子核外的中子(自由中子)会通过β衰变形成电子与质子。几十年来,我们一直在努力尝试测量出自由中子的衰变时间,而得到的结果却总是无法统一。

大致来讲,测量自由中子的衰变时间有两种方法——“瓶”方法与“束”方法。瓶实验非常直观:使用微弱磁场将一堆中子收束在瓶状势阱中,然后静静等待。一段时间后,统计势阱中还剩多少中子。根据这种方法,中子在衰变前能够存活的平均时间是14分钟39秒。

而束实验统计的则是一个核反应堆中,一束中子射线中出现的质子数。这种情况下,质子只能作为中子衰变的产物出现。这种方法测量出的中子平均寿命是14分钟48秒。而问题是,“这两个结果应该是一样的。”别列吉阿尼说。

最开始,物理学家们认为那多出来的9秒钟只是实验误差而已。但当我们不断改进实验设备,加强实验精确度之后,结果却愈加明显。根据这两项实验,似乎有两个不同的中子衰变周期。

如果镜像世界真的存在,那么它就应该是造成实验结果差异的原因。这个模型的要点是,中子会在两个世界之间来回振荡,别列吉阿尼解释说:“当中子穿过磁场时,振荡的可能性增加了。”这是个令人惊掉下巴的推论。中子只是暂时“借住”在我们这个宇宙,余下的时间中它处于现实镜面的另一侧,放射出的质子我们也无法探测到。

如果在一百个中子中,有一个恰巧在释放出质子之前穿越到另一端的对称世界,那么我们就探测不到它释放出的质子。这就解释了为什么射线实验中中子的衰变时间要长一些。

寻找镜像中子

寻找镜像中子

镜像理论能够解释的东西还有很多。“很多谜题都可以自然而然地用同样的模型和参数解释。”圣母大学的谭万鹏(音)说。镜像宇宙的模型甚至能够为暗物质的存在以及它难以被发现的原因提供一个合理的解释。“镜像中子似乎是暗物质粒子的一种合理的解释,”马里兰大学的理论物理学家拉宾德拉·莫哈帕特拉说,“这很有说服力。”

当你了解了应该存在的镜像粒子的种类有多少之后,你会觉得这个理论更加有说服力。为了与早期宇宙演化模型保持一致,宇宙镜像部分的温度应该比我们的宇宙更低。如果热量太高,那么镜像粒子就可以更容易地穿过界限,增加我们这个宇宙的引力并改变宇宙演化的路径。这种温度差会使粒子更容易穿过镜面,在不同的镜像宇宙之间来回。解释最完备的镜像理论认为,每个粒子对应五个镜像粒子,正好与我们观测到的暗物质与可见物质的比例吻合。

不仅如此,由于这些基本粒子组成了恒星、行星以及人类,我们可以合理怀疑,在其他宇宙中也存在镜像的生命,或是其他我们无法想象的东西。“在镜像宇宙里,事件发生的几率是我们宇宙的5倍。”别列吉阿尼说。谁知道呢,说不定现在就有某个镜像人类在试图研究,为什么他们那个宇宙的暗物质比可见物质还要多五倍。

理论很好,但寻找相应的证明却十分困难。在宇宙的四种基本力——电磁力、强相互作用力、弱相互作用力与引力中,“宇宙的镜像部分只能通过引力与我们相互作用,而引力对于实验来说又太弱了。”田纳西大学研究镜像物质的科学家尤里·卡米什科夫(Yuri Kamyshkov)说。

瓶实验捕捉到镜像中子信号的可能性

答案或许隐藏在更精密的中子衰变实验里。2012年,别列吉阿尼发表了一篇论文,阐述了他提出,一小部分镜像物质被地球自转带到了我们的宇宙。带电的镜像粒子(比如或镜像电子)产生了一个镜像的磁场,这会增加中子从我们宇宙穿越出去的可能性。

这个想法让瑞士保罗谢尔研究中心的克鲁斯·基尔希(Klaus Kirch)等人很感兴趣。他们用了更加精密的仪器去检测镜像磁场影响中子衰变的可能性。

基尔希认为这个想法有点牵强,但研究起来非常有趣。他说:“我不太相信能够探测到镜像中子的信号,所以我们设计了实验去证伪,然后看看结果如何。”实验内容包括向仪器施加不同的磁场,然后看其能否影响势阱里中子的数量。据基尔希说,实验现在已经完成了,但是他的团队还在分析结果。

布鲁萨尔则在抱着兴趣观望。和其他橡树岭研究中心的同事们一道,她准备用更加精密的实验来检测别列吉阿尼的观点。

实验的原理非常简单:向一面中子无法穿透的厚墙发射中子束,如果在墙的另一边探测到了中子,就说明有中子进入了镜像宇宙,从而没有被厚墙阻挡,而且在撞到探测器之前又回到了我们的宇宙。“只有那些进入了镜像宇宙后又回来的中子才能被探测到。”布鲁萨尔说。

通过改变厚墙两边的磁场强度,布鲁萨尔想看看她能不能找到合适的磁场强度及形状,从而增加穿过墙的中子数量。“如果我的数字是正确的,那么他们应该能观察到一些现象。”别列吉阿尼说。

后续实验

实验仪器已经搭建好,整装待发。布鲁萨尔现在正在和橡树岭实验中心的实验人员协商,商定一个合适的时间开展实验。尽管她心情很激动,她却并不期待第一次实验就能实现突破——谁也不知道到底多大的磁场能够有效地增加粒子穿越的可能性。“我认为,我们一个中子都探测不到。”她说。实际上,对于布鲁萨尔,这次实验的主要目的就是尽量缩小可能的有效磁场强度的范围。

但如果基尔希团队观测到了与镜像中子一致的信号,那么布鲁萨尔和她的团队就可以参考基尔希的结果,以找到合适的磁场强度。如果磁场的存在改变了势阱内中子的数量,那么或许就能够证明,镜像宇宙是存在的。

卡米什科夫现在正在与布鲁萨尔合作。“尽管得到任何成果的可能性都很小,但这是一次简单且并不昂贵的实验,”卡米什科夫说,“如果一场物理学革命中可能会产生好的结果,那么我们必须尝试。”

哪怕这些实验真的证明的镜像中子的存在,布鲁萨尔说,我们还需要很多工作去证明它和暗物质有关,以及找到通向其他镜像区域的方法。“我想说,这是一个很好的开始,但我认为前方还有很多挑战。”她说。

如果我们没有找到镜像中子呢?布鲁萨尔可以肯定一件事情,就是镜像理论并不会因此被抛弃。“理论物理学家一直很擅长躲避实验物理学家给他们设下的陷阱。”她说。但考虑到物理学家用现行理论无法解释的种种问题,你应该能够理解为什么他们要在镜子中寻找答案了。

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