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欢迎来到真实的镜像世界

 大科技杂志社 2019-11-08

一个与我们的宇宙一模一样的宇宙可能就在我们身边。

乍一看,一切看起来都那么熟悉。墙上的钟在嘀嗒响着;窗外,汽车轰隆驶过;你手里拿的《大科技》杂志,封面也同样吸引人。但似乎有什么东西不对劲:时钟是倒着走的;汽车在靠左行驶;你正在读的文字也是左右颠倒的。哈哈!原来你是在看镜中的像。

几乎所有人都认为镜中的世界是“假的”——虽然有一本书叫《爱丽丝镜中游记》,讲述了种种镜中的冒险趣事,但那毕竟是童话。可是对于一些物理学家来说,所有事物都左右翻转的世界(不妨称其为“镜像世界”)或许是真实存在的,而且说不定就藏在我们身边。在那个世界里,有镜像原子、镜像分子、镜像恒星和行星,甚至镜像生命。只是它们几乎不跟我们的世界相互作用,才一直没被发现。但这并不意味着我们永远发现不了。一些粒子或许会在我们的世界和镜像世界之间相互“切换”——一会儿在这个世界现形,一会儿在那个世界现形——这样,就暴露了镜像世界的存在。

如今,物理学家正在安排实验来验证这个假说。如果真找到这么一个镜像宇宙,除了我们对现实的看法将彻底改变,还可以回答关于我们自己宇宙的一些问题——它们已经困扰我们几十年了。 

发现全新的世界

发现一个全新的世界,让人类的眼界豁然大开,当然不是一件容易的事,但在物理学上,这种近乎奇迹的事情并非没有发生过。1928年,英国物理学家狄拉克根据量子力学的理论预言,宇宙中存在一个全新的粒子家族,其中的粒子与已知的粒子,除了电荷相反,其他方面完全一样。这就是我们现在经常挂在嘴上的“反物质粒子”;由这些粒子组成的世界,叫“反物质世界”。

还不止呢。1933年,瑞士天文学家弗里茨·茨威基观察到,星系团中可见物质的万有引力,似乎无法为星系团的快速旋转提供足够的向心力。换句话说,倘若没有额外的引力,星系团早该解体,不存在了。

今天,我们认为这个额外的引力来自“暗物质”。宇宙中暗物质与普通物质的质量之比大约是5:1。暗物质与普通物质之间,除了引力,没有别的相互作用,尤其没有电磁力的相互作用,所以很难被发现,组成暗物质的粒子迄今仍没找到。尽管如此,暗物质的说法已被主流科学界所接受。

反物质和暗物质的存在,为我们认识物质、认识宇宙,提供了全新的思路。譬如,困扰现代物理学的一个难题是:到底存不存在一个主要由反物质组成的世界?存在的话,它在哪里(考虑到正反物质相遇就会灰飞烟灭,反物质世界必定离我们非常遥远)?还有,在我们身边存不存在一个“暗”版的世界,在那里,物质是“暗”的,作用力是“暗”的,甚至存在“暗”版的人?

有着这些先例为我们打气,现在让我们启程去探索另一个全新的世界——镜像世界!

宇称守恒还是不守恒?

在物理学中,一个很有用的概念是对称。物理学中所说的对称,指的是物理规律在某些变换下保持不变。比如,一个球从A点移动到B点,虽然空间位置变了(这叫“空间平移变换”),但它遵从的物理规律(比如牛顿三大定律)保持不变。这叫空间平移对称性。再比如,仅仅改变一个球的颜色,它对地球引力的反应不受影响。假如取个名,也可以叫做“颜色变换对称性”。

粒子物理学中一个很重要的对称性叫“宇称”,即“左右对称”或“镜像反演”。“宇称守恒”则是指,即使把涉及物体的所有位置和方向都像在镜子里一样翻转,物理过程和规律也保持不变。

例如,一个小球向右运动,它遵从牛顿运动定律。假如我们放一面镜子,在镜像世界里做这个实验——你或许会好奇:我们怎么到镜像世界去做实验呢?其实,不必跑到镜子里去,只要把实验装置都按镜像所显示的那样去安排就是了——小球则向左运动。但与像向右运动的小球一样,向左运动的小球,也遵从牛顿运动定律。

在相当长一段时间里,物理学家相信,在自然界,宇称是守恒的。但这个看似天经地义的猜测,后来却遇到了麻烦。

1950年代初,科学家们从宇宙射线里观察到两种新的介子(即质量介于质子和电子之间的粒子):θ和τ。这两种介子的自旋、质量、寿命、电荷完全相同,很多人都认为它们是同一种粒子。但是,它们却具有不同的衰变方式,θ衰变时会产生2个π介子,τ则衰变成3个π介子,这说明它们遵循着不同的运动规律。

假使τ和θ是不同的粒子,那它们怎么会具有一模一样的质量和寿命呢?而如果承认它们是同一种粒子,二者又怎么会具有完全不一样的衰变方式呢?为了解决这一问题,物理学界曾提出过各种不同的想法,但都没有成功。

1956年,李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后,大胆地断言:τ和θ是完全相同的一种粒子(后来被称为K介子),但在涉及弱核力的衰变中,宇称不守恒了,导致它没有固定的衰变方式,既可以衰变成2个π介子,也可以衰变成3个π介子。

李政道和杨振宁的观点震动了当时的物理学界。此后不久,吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”。从此,“宇称不守恒”才真正被承认。

镜像世界真实存在?

但鲜为人知的是,李和杨也曾提出过另一个相当疯狂的解释。他们认为,宇称之所以看起来不守恒,只是因为我们仅看了我们宇宙的情况;倘若存在另一个隐藏起来的宇宙,在那里,宇称在相反的方向也是不守恒的,那么把两个宇宙合起来考虑,宇称总体上还是守恒的。

打个比方。有一口碗,碗上有几个分布不规则的缺口,就这口碗自身而言,左右对称性“破缺”了。但是,倘若让它对着一面镜子,把碗和它在镜中的像都当作一个系统处理,那么左右对称性依然是保持的。这个解释的前提是,镜像世界跟我们的世界一样真实。

这个存在真实的镜像世界的想法当时并不受欢迎,所以李和杨很快就放弃了。但在粒子物理学面临着许多难题的今天,一些人又开始重拾这种观点。他们说,事实上我们或许已经从中子的行为中窥探到镜像世界存在的迹象。

中子是组成原子核的基本粒子之一。它在原子核内是稳定的,但在核外,即所谓的自由中子,就不稳定了,将衰变为电子和质子(这叫β衰变)。几十年来,物理学家一直在努力弄清楚自由中子在衰变前究竟能存在多长时间,但得到的结果是相互矛盾的。

测量自由中子寿命的方法大致有两种:一种是用“磁陷阱”捕捉的方法,一种是用中子束的办法。陷阱捕捉的方法相当简单:你用一个弱磁场将一群中子聚集到一口“陷阱”中,让它们在里面衰变,过一阵子再去数剩下的中子数。根据这种方法,中子的平均寿命为14分39秒。

第二种办法则是从核反应堆中引出中子束,测量它产生的质子数。质子带电,更容易测量。一个中子衰变产生一个质子。用该方法测量,得到的中子寿命为14分48秒。

两种办法测得的寿命差为9秒钟。起初,物理学家将其归结为实验误差。但是,随着测量技术的提高,现在测量误差越来越小了,可这两个数值并没有趋于一致。中子似乎有两个寿命。

一些物理学家认为,镜像世界如果存在的话,可能是出现上述问题的罪魁祸首。他们提出一种猜想:中子或许在两个世界之间来回振荡。中子一生中只有部分时间逗留在我们的宇宙,剩余时间是在“平行”(因为就在我们身边)的镜像世界中度过的,在那里它们发射的任何质子都不会被我们发现。

他们计算了一下:如果100个中子中有1个在衰变成质子之前“切换”到镜像世界中去了,就可以解释为何用“磁陷阱”的办法测量到的中子寿命较短。因为这个中子隐身于镜像世界之后,我们就测不到它了。这就是说,当我们测到只剩50个中子时,它实际上只有49个中子衰变了,这自然比50个中子衰变所需要的时间要短。

小贴士:粒子的寿命

在微观世界,由于量子的不确定性,粒子的寿命也是不确定的。我们所说的粒子寿命,只是统计的结果(即不是测量单个中子,而是测一群中子)。物理学上,把粒子的寿命等同于它的半衰期。所谓半衰期,就是一群相同的粒子衰变到只剩下一半所需的时间。

例如,要测量中子的寿命,先收集n个中子,如果经过t时间,只剩下n/2个中子了,我们就说,中子的寿命(或半衰期)是t。不难看出,中子减少得越快,测得的寿命越短。

暗物质藏身在镜像世界中?

镜像宇宙甚至可以为暗物质提供一个藏身之地,并解释为什么暗物质这么很难找。当你了解到镜像世界中可能会藏有多少暗物质时,这个猜测似乎更有吸引力。

为了与早期宇宙演化的模型相一致,需要假设镜像世界的部分比我们自己的宇宙要冷得多。如果把我们的宇宙和镜像宇宙想象成热水和冷水,那么这种温差将使我们世界中的粒子更容易穿越到镜像宇宙中,从我们的宇宙中消失。我们的宇宙中物质在减少,而镜像世界中的物质在增加。有一个镜像世界模型预测,我们世界中每1个普通粒子对应镜像世界中的5个粒子——这正好和普通物质与测量得到的暗物质之比1∶5相符。

在我们这个世界里,剩下的粒子形成恒星、行星,最终形成人类,我们似乎也有理由期待这个演化过程在镜像世界中发生。那里有镜像恒星、镜像行星,甚至镜像人类。因为我们说暗物质“暗”,只是它们跟我们世界里的物质关系“冷淡”(除了引力,没有其他相互作用),至于它们自己,关系则“热络”着呢,说不定也有镜像电磁力、镜像核力等。我们世界中的普通物质,在镜像世界看来,倒成了“暗物质”。谁知道呢,甚至可能镜像人类正在试图搞明白为什么他们宇宙中的“物质”与“看不见的物质”之比是5∶1呢。

寄希望于中子实验

这是一个大胆的猜测,但要找到确凿的证据并非易事。困难在于,镜像世界与我们的世界,除了引力,不发生别的相互作用,电磁力、强弱核力统统没有,而引力又太弱了,无法进行实验。

这就又回到了前面的话题,答案可能在于对中子寿命进行更好的测量。2012年,一篇论文声称:因为地球引力,地球自转会把少量镜像物质拖着走;携带电荷的镜像粒子(比如镜像电子)的运动会产生镜像磁场;处于普通磁场中的中子(如“磁陷阱”中的中子),受到镜像磁场的影响,切换到镜像世界的概率会增加。

这个想法引起了实验家的兴趣。他们使用一种更灵敏的仪器来测试镜像磁场是否会影响“磁陷阱”中的中子寿命。实验还包括对“磁陷阱”施加不同强度的磁场,看看是否影响中子的寿命。目前实验已完成,数据正在分析之中。

另一个实验正在美国橡树岭国家实验室紧锣密鼓地筹备。其背后的想法相当简单:往一堵墙上发射一束中子,墙足够厚,而且中子会被墙上的特殊物质吸收,无法穿透。因此一般情况下,在墙另一侧的中子探测器是探测不到中子的。但倘若中子在行进过程中,“切换”到了镜像世界,摇身变成镜像中子——对于镜像中子来说,这堵墙是不存在的。然后,过了墙,它又“切换”回我们的世界,变成普通中子,那么墙另一侧的中子探测器就可能探测到中子。

万一这些实验压根儿没找到镜像世界存在的蛛丝马迹呢?估计,理论家们也不会轻易放弃这个猜想。毕竟,“镜子”太重要了,他们已经把很多赌注押在它身上。

除了暗物质,还有什么赌注?请参看拓展阅读。

镜子能解决哪些物理学难题?

1、为什么宇宙是“有”而不是“无”?

宇宙在诞生之初,产生的物质和反物质本应该一样多的。但是,假如等量的正反物质相互湮灭之后,宇宙又复归于无,也就没有今天的我们了。可见,在我们的宇宙中,物质还是比反物质要多。

为什么会这样的呢?我们在正文中曾经提到一种破坏宇称守恒的K介子。有科学家认为,在早期宇宙中,K介子在我们宇宙和镜像宇宙之间的振荡可能是解决这个问题的关键。

K介子和它的反粒子——反K介子——本来是一样多的,但由于K介子在我们宇宙和镜像宇宙之间来回玩“切换游戏”,反K介子亦复如此,因此在我们的宇宙中,两者并不是任何时刻都一样多的。比如说,在我们宇宙,原先有100个K介子和100个反K介子。在某时刻,有2个K介子和4个反K介子“切换”到镜像世界去了,那么在我们的宇宙,只剩98个K介子和96个反K介子了。K介子比反K介子多了2个。这种此多彼少的现象叫涨落。

假如条件维持不变,这个正反K介子数量不等的涨落,本来是容易消除的。譬如,说不定下一时刻,跑到镜像宇宙的正反K介子全跑回来了,于是在我们的宇宙中,正反K介子数量又持平了。

但这个条件并没有长久维持,众所周知,我们的宇宙后来发生了暴胀,温度急剧下降,导致我们宇宙跟镜像宇宙之间的温差缩小了。前面,我们曾经把两者比作热水和冷水,温差缩小意味着两个宇宙之间的“对流”少了。这样,跑到镜像宇宙中的正反K介子,不容易再跑回来了,导致在我们的宇宙中,物质多于反物质。

2、为什么锂-7这么多?

物理学家早就注意到,这种锂的同位素在现实世界中的含量与理论上预言的宇宙最初几分钟内应该制造的含量不相匹配。为什么呢?根据一位法国物理学家的说法,进入我们世界的镜像中子可以让铍-7不稳定,而铍-7衰变产生锂-7,导致锂-7的含量高于理论预期。

3、超高能宇宙射线是从哪里来的?

我们的望远镜正在探测来自银河系外的粒子——虽然它们在出发时是高能粒子,但在经过如此漫长的旅程之后,这些粒子的能量应该已经小到几乎不可探测。

然而,假如这些粒子在飞行途中,在镜像世界和我们世界之间来回“切换”的话,它们就能保持住很大一部分能量,因为在镜像世界中的运动几乎不消耗能量。所以,当我们探测到它们时,能量依然很高。

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