难道有和我们镜像平行宇宙存在吗？科学家已开始验证

来源：环球科学 发布时间：2019-06-18浏览：2753次

难道有和我们镜像平行宇宙存在吗？科学家已开始验证

　　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。

　　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。

　　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，阐述了瓶实验捕捉到镜像中子信号的可能性。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。