欢迎来到反宇宙

连续一个月,物理学家戈汉姆及其同事一直在观察一只高高飘浮在冰面上空、携带一系列天线的巨型气球。这只气球扫描南极洲超过100万平方千米的冰冻地貌,寻找来自太空的高能粒子。

除了奇怪的背景噪声信号之外,这只气球的首次飞行实验结果似乎乏善可陈。一年多以后的第二次飞行实验结果,也一样无可炫耀。当该气球进行第三次扫描时,科学家决定重审它的过往探测数据,尤其是那些之前被作为噪声而忽视的信号。这一决定真的很重要。经过进一步检验,科学家发现了一个看似为高能粒子指征的信号。但它并非是他们寻找的目标,而且它是一个“不可能的信号”——这个粒子竟然不是来自太空,而是从地下爆发出来的。

這一奇怪的发现是在2016年获得的。此后,科学家提出了基于已知物理学的各种理论来解释这个奇怪信号,但所有这些解释都被排除。不过,该信号的重要含义却挥之不去——要想解释这个信号,就需要在创生我们所在宇宙的大爆炸中还创生一个与我们的宇宙上下颠倒的平行宇宙,也称镜像宇宙或反宇宙。在我们看来,在我们宇宙中正的东西在这个镜像宇宙中都是反的,左的都是右的,时间是倒流的。这可能是从南极冰层中浮现出来的最令人费解的观点,但它可能是正确的。

一个惊人的信号

这项雄心勃勃的气球实验就是“南极脉冲瞬变天线”(又称“安妮塔”)。说它雄心勃勃一点也不为过。为什么呢?

地球经常被宇宙射线轰炸。宇宙射线是来自太空最深处的粒子,其中一些粒子的能量是目前最好的粒子加速器所能产生能量的100万倍。科学家希望了解这些超高能宇宙射线的构成和来源,但这些问题很难回答。首先,宇宙射线的轨迹被银河系中的无数个磁场扭曲,因此几乎不可能追踪宇宙射线的起源地。

安妮塔实验场景。

幸运的是,不管是什么源头产生了超高能宇宙射线,它也一定会产生一种更有用的“灯塔”——中微子。因为不带电,所以中微子不受磁场影响,而是在太空中直线穿梭。这样一来,只需追踪一个中微子的源头,就能追踪到与这个中微子相生相伴的宇宙射线的源头。追踪中微子的源头很简单——从它撞击地球的点位倒推它的轨迹就行。安妮塔的使命正是寻找宇宙射线的起源,难道它还不算十足的雄心勃勃?

当一个高能中微子坠入南极冰中时,其产生的带电粒子雨会产生无线电波。如果安妮塔探测到发射自地表的这类无线电波,科学家就能推算出中微子的撞击地点,由此确定与中微子相伴的宇宙射线的源头。安妮塔实验的主要参与者、美国夏威夷大学实验粒子物理学家戈汉姆说,这个反推过程tPp0qw7fmHzwDe2b8/oBBc78smrE41ve61WVBPJY1KA=简单明了。

然而,这个过程却无法解释科学家在2016年辨识的奇怪信号(简称安妮塔信号)。既然这个奇怪的高能粒子不是从天而降,而是蹦出地表,那么就可以推断它从地球另一侧进入地球,穿越地球内部后又飞出地表。低能中微子能完成这种旅行,因为它们能轻易穿透物质。但不管是高能中微子还是宇宙射线,遇到像地球这样的实体都不可能不受阻碍。

中微子有3种类型:电中微子、μ中微子和τ中微子。它们都不能高速穿行,但τ中微子偶尔会转变为另一种粒子——轻子,然后再恢复成τ中微子。不能排除这种可能性:一个高能τ中微子在进入地球后通过这种形变而完成穿越地球之旅。但这种解释备受争议,毕竟它也只是一种猜想。

2018年,安妮塔信号这个奥秘变得更难解了。当时,安妮塔发现了从地面爆出的另一个大质量粒子信号。美国宾夕法尼亚大学科学家福克斯及其同事说,安妮塔根本不可能在这么短时间里看到两次这类事件,因为他们的计算表明一个τ中微子在安妮塔任务期间两次自由穿越地球的概率只有一百万分之一。这样一来,就不能用τ中微子来解释安妮塔信号。

正因为安妮塔信号太难解,所以有些科学家甚至用已知物理学以外的知识来解释它们。40多年来,粒子物理一直被标准模型主导。所谓标准模型,是指一整套粒子和力,它们在解释自然世界方面非常准确。但每当像安妮塔发现奇怪信号的时候,科学家经常会打破常规。例如,西班牙巴塞罗那大学的伊斯特本教授指出,安妮塔观测到的奇怪粒子可能是轴子。科学家在20世纪70年代末首次提出轴子这种假想粒子,目的是为了解释为什么在强相互作用中CP是守恒的(即强CP问题),安妮塔信号可能是由在与地球磁场作用时转变为光子的轴子产生的。

超对称(示意图)。

福克斯及其同事则用超对称理论来解释安妮塔信号。超对称理论是对标准模型的大大延伸。按照该理论,每一种已知的基本粒子都有一个通常质量更大的孪生粒子。福克斯等人相信,穿越地球、产生安妮塔信号的粒子是超对称τ中微子。但问题是,旨在探测超对称粒子的其他实验装置(例如位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机)根本就没有探测到这样的粒子。因此,许多物理学家不认可对安妮塔信号的超对称解释。

一种惊人的解释

在加拿大圆周理论物理研究所科学家图洛克看来,所有前述解释都太过复杂。他相信,要想解释安妮塔信号,无须发明一系列假想粒子,而只需通过研究已知的东西就行。许多人认为,粒子物理学已从最简洁变成了最复杂的预测理论。但图洛克不这么看。

可能正是图洛克 “對事物进行简单解释”的偏好,让他对安妮塔信号提出了一种非凡的解释。图洛克起初关注的对象与南极冰完全无关,而是宇宙大爆炸的最直接后果。要想研究这一时期,指南资料不多,其中一种理论是对称——在某些改变下,物理学法则保持不变。

我们用简写指代这些对称。例如,C对称代表电荷共轭对称性,是指把一个粒子的电荷用该粒子的反物质电荷替换后不会影响粒子的基本行为。P对称代表奇偶变换对称性,是指一种情景下的物理学和该情景的镜像情景下的物理学相同。T对称代表时间反转对称性,是指时光倒流之下的过程并不违反任何物理学法则。

安妮塔气球升空,扫描南极。

涉及基本粒子的几种过程已知会违反C、P和T对称中的一种,也就是有偏离,但如果也违反另外两种就能纠偏。如此看来,从整体上说,CPT对称永远不能打破。图洛克说,自然界万事万物都不能避开CPT对称。

2018年,图洛克及其同事开始探索这样一个课题:如果CPT对称在宇宙最早时期存在,那么在今天CPT对称意味着什么?他们发现自己的计算结果对大爆炸喷射出的粒子类型和数量有严格限制。其中一种粒子是右旋中微子。这与图洛克不想用假想粒子来解释安妮塔信号背道而驰。但物理学界普遍相信,右旋中微子对于平衡已知的中微子——左旋中微子(以其旋转方向而得名)质量来说是必要的。CPT对称要求存在足量的右旋中微子,而图洛克及其同事发现,如果他们把一个右旋中微子的质量定得正好合适,那么就能匹配宇宙中最难以琢磨的物质——暗物质的质量。物理学家几十年来一直在寻找暗物质,但没有找到。图洛克等人不敢相信,右旋中微子竟然是暗物质的最佳候选对象——图洛克等人算出的右旋中微子质量恰好匹配产生安妮塔信号的粒子质量!当然,图洛克等人当时并不知道这个巧合。

一个惊人的巧合

美国纽约城市大学理论物理学家路易斯及其同事最先指出这个巧合。他们提出,数百万乃至上千万年来,宇宙中弥漫的右旋中微子一直在被地球磁场俘获,此后一直待在地球内部。他们还猜测,这些暗物质粒子有时会衰减成希格斯玻色子和τ中微子对,因而产生安妮塔信号。路易斯说,图洛克团队预测到的正是安妮塔信号能量,这简直太惊人。毕竟,这是一个具体的量化预测,而且它被实验结果支持,这在粒子物理学中实属罕见。

但如果安妮塔信号粒子真的是右旋中微子,真的是暗物质粒子,那么对于解释我们所知的宇宙来说就有麻烦。CPT对称的一个直接推论是,在大爆炸刚刚发生后的宇宙(即我们的宇宙)中有相同数量的物质和反物质。但这两者不能和平共处,而是立即互相湮灭,只留下能量。事实却是,今天宇宙中的物质数量大大超过反物质数量。这让许多宇宙学家认为,宇宙并不总是符合CPT对称。为了克制这种质疑,图洛克团队需要回答这样一个大问题:我们的宇宙究竟怎样存在?

答案在于CPT对称自身,而且答案很让人费解。为了理解这个答案,需要考虑我们已知的最基本粒子过程之一:在一个强电场存在之下,电子及其反物质形式——正电子的产生。然而,为了严格遵循CPT对称,还需以另一种方式来看待“我们的宇宙究竟怎样存在”这个问题的答案:在电场产生以前正电子是时光倒流的电子,电场产生后电子才不再时光倒流。尽管听起来很怪异,但前述两种方式的考虑应该是完全等价的,无法查明其中哪一种“正确”。

图洛克对安妮塔信号提出的解释之所以非凡,就在于要求类似的情况也发生于我们所在的宇宙中。有关大爆炸的传统观点是:在大爆炸那个时刻产生的是一个单一的宇宙,而且这个宇宙中几乎不存在反物质。而为了不违反CPT对称,大爆炸就必须产生两个平行的宇宙,大部分物质进入其中一个宇宙(即我们的宇宙),大部分反物质则进入另一个宇宙。在这另一个宇宙中,一切都与我们宇宙中的上下颠倒,前后相反。另一个宇宙中的所有恒星和行星都由反物质而非物质构成。而惊人的是,这个反宇宙在时间上向后朝着大爆炸时点收缩,而不是离开大爆炸时点向前膨胀。

安妮塔团队在工作。

期待惊人的发现

至少,从我们的视角看去反宇宙就是这样。正如CPT对称规定一个在时间上向前行的正电子等同于一个在时间上向后退的电子,我们的宇宙也等同于在我们看来一切都与我们的相反的反宇宙。对于反宇宙中的居民来说,我们的宇宙才上下颠倒,向后退行,充满“错误”。实际上,我们不可能知道自己是居住在“正宇宙”还是居住在“反宇宙”,只知道另一个宇宙在我们眼中看来是反宇宙。从宇宙意义上讲,时间并不是由某个外部观察者强加的箭头,而更像是一个个人风向标,指向这个人所在宇宙的膨胀方向。总之,时间可向前也可向后,至于定义时间向前还是向后,要看这个人所在的宇宙。在一个宇宙中,另一个平行宇宙——镜像宇宙就是反宇宙,反之亦然。

这个观点与现有的宇宙学观点差之千里。图洛克最先承认自己的这个“前卫”观点还有一些漏洞需要堵住。但他相信,他和与他在这方面观点一致的其他人无须引入新粒子就能堵住这些漏洞。一旦漏洞被堵住,那么他们的观点就肯定比这方面的其他观点更好。

对于图洛克等人的观点,的确有一个潜在的衡量装置在工作。如果安妮塔的确捕捉到了由反宇宙观点预测的右旋中微子,那么其他中微子观测台也应该捕捉到它。然而,到了2019年末,与安妮塔相邻的冰立方实验(它持续观测由穿越1立方千米南极冰的中微子衰变产物产生的闪光)团队宣布,他们没有发现来自安妮塔团队所声称信号方向的任何高能中微子。

但这并非是对反宇宙理论的死刑判决。路易斯指出,高能τ中微子的轨迹可能会被误认为是低能量μ中微子的轨迹。这一说法尚存争议,但它也暗示:安妮塔和冰立方团队可能都发现了有可能表明平行宇宙存在的证据。

还有其他多条途径支持反宇宙观点(也称反宇宙理论)。该理论预测大爆炸应该不会产生原始引力波(宇宙学家一直在寻找却未能找到的时空上的涟漪)。该理论还预测三种中微子中最轻的一种实际上没有质量。图洛克相信,这一点将在5~10年内被证实。但如果这些预测最终被推翻,那么反宇宙理论也将崩溃。虽然有些担心,但图洛克还是对自己的这一理论算得上信心满满。

与此同时,科学家关注的焦点再次回到南极洲。他们希望捕捉到从地下爆发出来的更多大质量粒子。自从安妮塔第四次软着陆以来已经过去了3年时间,而对它的探测数据的分析仍在进行中。戈汉姆不愿意评说分析内容。他只是说:“我们不知道该怎样描述它(指安妮塔的探测结果),但我们发现了一些东西。”

冰立方实验检测奇异粒子(示意图)。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午10:05。
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