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存在一個與我們宇宙完全鏡像的平行宇宙?實驗物理學家已開始行動

製圖:Patryk Hardziej

在某個不為人所知的區域,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,實驗物理學家已經開始了行動。如能證實鏡像宇宙的存在,暗物質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。牆上的鍾表滴滴答答地走著,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:鍾表在逆著走,汽車在道路上逆行,你看的故事也是從後往前寫的。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的宇宙。那裡有鏡像的原子、鏡像的分子、鏡像的恆星與行星,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。現在,終於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實的認知,更將解答在過去幾十年中,科學家們對於宇宙的疑惑。“這背後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,科學家就曾發現過“新世界”。1928年,保羅·狄拉克(Paul Dirac)發現,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。這個隱藏的反物質世界使我們已知的微觀粒子數量又增加了一倍。

但這還沒完。1933年,瑞士天文學家弗裡茨·茲維基(Fritz Zwicky)發現,星系團的旋轉特徵表明,它們之間受到的引力作用力比其可觀測質量所能產生的力要大得多。

70年代,美國的天文學家維拉·魯賓(Vera Rubin)也在星系團中發現了這個現象。現在,我們認為每個星系中都存在暗物質,其與可見物質的比例大概是5:1。然而,儘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。

反物質與暗物質已經進入主流科學研究領域。但或許,那個神秘的新世界已經在暗處隱藏了60多年,等待著我們發現。1956年,李政道與楊振寧發現了宇稱不守恆。在此之前,科學家一直假設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。宇稱守恆規定了,當粒子的所有位置和方向都鏡像翻轉時,粒子的性質依舊保持不變。李政道與楊振寧提出了一個實驗,來檢驗宇稱不守恆的存在。華裔物理學家吳健雄完成了這個實驗,並證明宇稱不守恆的確存在。這個關鍵的發現使李政道和楊振寧獲得了下一年的諾貝爾物理學獎。

對於宇稱不守恆,李政道與楊振寧給出一個有點古怪的解釋。他們提出,宇稱實際上是守恆的。我們之所以觀測到不守恆,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恆,是因為在其他地方存在相反的粒子(反粒子),也顯現出同樣的宇稱不守恆性,”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恆的。”

這個“鏡像物質世界”的觀點在當時並沒有得到認可,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,而得到的結果卻總是無法統一。

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,然後靜靜等待。一段時間後,統計勢阱中還剩多少中子。根據這種方法,中子在衰變前能夠存活的平均時間是14分鐘39秒。

而束實驗統計的則是一個核反應堆中,一束中子射線中出現的質子數。這種情況下,質子只能作為中子衰變的產物出現。這種方法測量出的中子平均壽命是14分鐘48秒。而問題是,“這兩個結果應該是一樣的。”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備,加強實驗精確度之後,結果卻愈加明顯。根據這兩項實驗,似乎有兩個不同的中子衰變周期。

如果鏡像世界真的存在,那麽它就應該是造成實驗結果差異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,余下的時間中它處於現實鏡面的另一側,放射出的質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子之前穿越到另一端的對稱世界,那麽我們就探測不到它釋放出的質子。這就解釋了為什麽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解釋。”聖母大學的譚萬鵬(音)說。鏡像宇宙的模型甚至能夠為暗物質的存在以及它難以被發現的原因提供一個合理的解釋。“鏡像中子似乎是暗物質粒子的一種合理的解釋,”馬裡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。”

當你了解了應該存在的鏡像粒子的種類有多少之後,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該比我們的宇宙更低。如果熱量太高,那麽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並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,每個粒子對應五個鏡像粒子,正好與我們觀測到的暗物質與可見物質的比例吻合。

不僅如此,由於這些基本粒子組成了恆星、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。“在鏡像宇宙裡,事件發生的幾率是我們宇宙的5倍。”別列吉阿尼說。誰知道呢,說不定現在就有某個鏡像人類在試圖研究,為什麽他們那個宇宙的暗物質比可見物質還要多五倍。

理論很好,但尋找相應的證明卻十分困難。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,而引力對於實驗來說又太弱了。”田納西大學研究鏡像物質的科學家尤裡·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裡。2012年,別列吉阿尼發表了一篇論文,闡述了瓶實驗捕捉到鏡像中子信號的可能性他提出,一小部分鏡像物質被地球自轉帶到了我們的宇宙。帶電的鏡像粒子(比如或鏡像電子)產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,所以我們設計了實驗去證偽,然後看看結果如何。”實驗內容包括向儀器施加不同的磁場,然後看其能否影響勢阱裡中子的數量。據基爾希說,實驗現在已經完成了,但是他的團隊還在分析結果。

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牆發射中子束,如果在牆的另一邊探測到了中子,就說明有中子進入了鏡像宇宙,從而沒有被厚牆阻擋,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後又回來的中子才能被探測到。”布魯薩爾說。

通過改變厚牆兩邊的磁場強度,布魯薩爾想看看她能不能找到合適的磁場強度及形狀,從而增加穿過牆的中子數量。“如果我的數字是正確的,那麽他們應該能觀察到一些現象。”別列吉阿尼說。

後續實驗

實驗儀器已經搭建好,整裝待發。布魯薩爾現在正在和橡樹嶺實驗中心的實驗人員協商,商定一個合適的時間開展實驗。儘管她心情很激動,她卻並不期待第一次實驗就能實現突破——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,對於布魯薩爾,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範圍。

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

卡米什科夫現在正在與布魯薩爾合作。“儘管得到任何成果的可能性都很小,但這是一次簡單且並不昂貴的實驗,”卡米什科夫說,“如果一場物理學革命中可能會產生好的結果,那麽我們必須嘗試。”

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有關,以及找到通向其他鏡像區域的方法。“我想說,這是一個很好的開始,但我認為前方還有很多挑戰。”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,就是鏡像理論並不會因此被拋棄。“理論物理學家一直很擅長躲避實驗物理學家給他們設下的陷阱。”她說。但考慮到物理學家用現行理論無法解釋的種種問題,你應該能夠理解為什麽他們要在鏡子中尋找答案了。

相關論文:

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

https://arxiv.org/abs/1203.1035

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