歡迎來到真實的鏡像世界

石無魚

一個與我們的宇宙一模一樣的宇宙可能就在我們身邊。

乍一看，一切看起來都那么熟悉。墻上的鐘在嘀嗒響著;窗外，汽車轟隆駛過;你手里拿的《大科技》雜志，封面也同樣吸引人。但似乎有什么東西不對勁：時鐘是倒著走的;汽車在靠左行駛;你正在讀的文字也是左右顛倒的。哈哈！原來你是在看鏡中的像。

幾乎所有人都認為鏡中的世界是“假的”——雖然有一本書叫《愛麗絲鏡中游記》，講述了種種鏡中的冒險趣事，但那畢竟是童話。可是對于一些物理學家來說，所有事物都左右翻轉(zhuǎn)的世界（不妨稱其為“鏡像世界”）或許是真實存在的，而且說不定就藏在我們身邊。在那個世界里，有鏡像原子、鏡像分子、鏡像恒星和行星，甚至鏡像生命。只是它們幾乎不跟我們的世界相互作用，才一直沒被發(fā)現(xiàn)。但這并不意味著我們永遠發(fā)現(xiàn)不了。一些粒子或許會在我們的世界和鏡像世界之間相互“切換”——一會兒在這個世界現(xiàn)形，一會兒在那個世界現(xiàn)形——這樣，就暴露了鏡像世界的存在。

如今，物理學家正在安排實驗來驗證這個假說。如果真找到這么一個鏡像宇宙，除了我們對現(xiàn)實的看法將徹底改變，還可以回答關(guān)于我們自己宇宙的一些問題——它們已經(jīng)困擾我們幾十年了。

發(fā)現(xiàn)全新的世界

發(fā)現(xiàn)一個全新的世界，讓人類的眼界豁然大開，當然不是一件容易的事，但在物理學上，這種近乎奇跡的事情并非沒有發(fā)生過。1928年，英國物理學家狄拉克根據(jù)量子力學的理論預(yù)言，宇宙中存在一個全新的粒子家族，其中的粒子與已知的粒子，除了電荷相反，其他方面完全一樣。這就是我們現(xiàn)在經(jīng)常掛在嘴上的“反物質(zhì)粒子”;由這些粒子組成的世界，叫“反物質(zhì)世界”。

還不止呢。1933年，瑞士天文學家弗里茨·茨威基觀察到，星系團中可見物質(zhì)的萬有引力，似乎無法為星系團的快速旋轉(zhuǎn)提供足夠的向心力。換句話說，倘若沒有額外的引力，星系團早該解體，不存在了。

今天，我們認為這個額外的引力來自“暗物質(zhì)”。宇宙中暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的質(zhì)量之比大約是5：1。暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間，除了引力，沒有別的相互作用，尤其沒有電磁力的相互作用，所以很難被發(fā)現(xiàn)，組成暗物質(zhì)的粒子迄今仍沒找到。盡管如此，暗物質(zhì)的說法已被主流科學界所接受。

反物質(zhì)和暗物質(zhì)的存在，為我們認識物質(zhì)、認識宇宙，提供了全新的思路。譬如，困擾現(xiàn)代物理學的一個難題是：到底存不存在一個主要由反物質(zhì)組成的世界？存在的話，它在哪里（考慮到正反物質(zhì)相遇就會灰飛煙滅，反物質(zhì)世界必定離我們非常遙遠）？還有，在我們身邊存不存在一個“暗”版的世界，在那里，物質(zhì)是“暗”的，作用力是“暗”的，甚至存在“暗”版的人？

有著這些先例為我們打氣，現(xiàn)在讓我們啟程去探索另一個全新的世界——鏡像世界！

宇稱守恒還是不守恒？

在物理學中，一個很有用的概念是對稱。物理學中所說的對稱，指的是物理規(guī)律在某些變換下保持不變。比如，一個球從A點移動到B點，雖然空間位置變了（這叫“空間平移變換”），但它遵從的物理規(guī)律（比如牛頓三大定律）保持不變。這叫空間平移對稱性。再比如，僅僅改變一個球的顏色，它對地球引力的反應(yīng)不受影響。假如取個名，也可以叫做“顏色變換對稱性”。

粒子物理學中一個很重要的對稱性叫“宇稱”，即“左右對稱”或“鏡像反演”?！坝罘Q守恒”則是指，即使把涉及物體的所有位置和方向都像在鏡子里一樣翻轉(zhuǎn)，物理過程和規(guī)律也保持不變。

例如，一個小球向右運動，它遵從牛頓運動定律。假如我們放一面鏡子，在鏡像世界里做這個實驗——你或許會好奇：我們怎么到鏡像世界去做實驗?zāi)兀科鋵?，不必跑到鏡子里去，只要把實驗裝置都按鏡像所顯示的那樣去安排就是了——小球則向左運動。但與像向右運動的小球一樣，向左運動的小球，也遵從牛頓運動定律。

在相當長一段時間里，物理學家相信，在自然界，宇稱是守恒的。但這個看似天經(jīng)地義的猜測，后來卻遇到了麻煩。

1950年代初，科學家們從宇宙射線里觀察到兩種新的介子（即質(zhì)量介于質(zhì)子和電子之間的粒子）：θ和τ。這兩種介子的自旋、質(zhì)量、壽命、電荷完全相同，很多人都認為它們是同一種粒子。但是，它們卻具有不同的衰變方式，θ衰變時會產(chǎn)生2個π介子，τ則衰變成3個π介子，這說明它們遵循著不同的運動規(guī)律。

假使τ和θ是不同的粒子，那它們怎么會具有一模一樣的質(zhì)量和壽命呢？而如果承認它們是同一種粒子，二者又怎么會具有完全不一樣的衰變方式呢？為了解決這一問題，物理學界曾提出過各種不同的想法，但都沒有成功。

1956年，李政道和楊振寧在深入細致地研究了各種因素之后，大膽地斷言：τ和θ是完全相同的一種粒子（后來被稱為K介子），但在涉及弱核力的衰變中，宇稱不守恒了，導致它沒有固定的衰變方式，既可以衰變成2個π介子，也可以衰變成3個π介子。

李政道和楊振寧的觀點震動了當時的物理學界。此后不久，吳健雄用一個巧妙的實驗驗證了“宇稱不守恒”。從此，“宇稱不守恒”才真正被承認。

鏡像世界真實存在？

但鮮為人知的是，李和楊也曾提出過另一個相當瘋狂的解釋。他們認為，宇稱之所以看起來不守恒，只是因為我們僅看了我們宇宙的情況;倘若存在另一個隱藏起來的宇宙，在那里，宇稱在相反的方向也是不守恒的，那么把兩個宇宙合起來考慮，宇稱總體上還是守恒的。

打個比方。有一口碗，碗上有幾個分布不規(guī)則的缺口，就這口碗自身而言，左右對稱性“破缺”了。但是，倘若讓它對著一面鏡子，把碗和它在鏡中的像都當作一個系統(tǒng)處理，那么左右對稱性依然是保持的。這個解釋的前提是，鏡像世界跟我們的世界一樣真實。

這個存在真實的鏡像世界的想法當時并不受歡迎，所以李和楊很快就放棄了。但在粒子物理學面臨著許多難題的今天，一些人又開始重拾這種觀點。他們說，事實上我們或許已經(jīng)從中子的行為中窺探到鏡像世界存在的跡象。

中子是組成原子核的基本粒子之一。它在原子核內(nèi)是穩(wěn)定的，但在核外，即所謂的自由中子，就不穩(wěn)定了，將衰變?yōu)殡娮雍唾|(zhì)子（這叫β衰變）。幾十年來，物理學家一直在努力弄清楚自由中子在衰變前究竟能存在多長時間，但得到的結(jié)果是相互矛盾的。

測量自由中子壽命的方法大致有兩種：一種是用“磁陷阱”捕捉的方法，一種是用中子束的辦法。陷阱捕捉的方法相當簡單：你用一個弱磁場將一群中子聚集到一口“陷阱”中，讓它們在里面衰變，過一陣子再去數(shù)剩下的中子數(shù)。根據(jù)這種方法，中子的平均壽命為14分39秒。

第二種辦法則是從核反應(yīng)堆中引出中子束，測量它產(chǎn)生的質(zhì)子數(shù)。質(zhì)子帶電，更容易測量。一個中子衰變產(chǎn)生一個質(zhì)子。用該方法測量，得到的中子壽命為14分48秒。

兩種辦法測得的壽命差為9秒鐘。起初，物理學家將其歸結(jié)為實驗誤差。但是，隨著測量技術(shù)的提高，現(xiàn)在測量誤差越來越小了，可這兩個數(shù)值并沒有趨于一致。中子似乎有兩個壽命。

一些物理學家認為，鏡像世界如果存在的話，可能是出現(xiàn)上述問題的罪魁禍首。他們提出一種猜想：中子或許在兩個世界之間來回振蕩。中子一生中只有部分時間逗留在我們的宇宙，剩余時間是在“平行”（因為就在我們身邊）的鏡像世界中度過的，在那里它們發(fā)射的任何質(zhì)子都不會被我們發(fā)現(xiàn)。

他們計算了一下：如果100個中子中有1個在衰變成質(zhì)子之前“切換”到鏡像世界中去了，就可以解釋為何用“磁陷阱”的辦法測量到的中子壽命較短。因為這個中子隱身于鏡像世界之后，我們就測不到它了。這就是說，當我們測到只剩50個中子時，它實際上只有49個中子衰變了，這自然比50個中子衰變所需要的時間要短。

暗物質(zhì)藏身在鏡像世界中？

鏡像宇宙甚至可以為暗物質(zhì)提供一個藏身之地，并解釋為什么暗物質(zhì)這么很難找。 當你了解到鏡像世界中可能會藏有多少暗物質(zhì)時，這個猜測似乎更有吸引力。

為了與早期宇宙演化的模型相一致，需要假設(shè)鏡像世界的部分比我們自己的宇宙要冷得多。如果把我們的宇宙和鏡像宇宙想象成熱水和冷水，那么這種溫差將使我們世界中的粒子更容易穿越到鏡像宇宙中，從我們的宇宙中消失。我們的宇宙中物質(zhì)在減少，而鏡像世界中的物質(zhì)在增加。有一個鏡像世界模型預(yù)測，我們世界中每1個普通粒子對應(yīng)鏡像世界中的5個粒子——這正好和普通物質(zhì)與測量得到的暗物質(zhì)之比1∶5相符。

在我們這個世界里，剩下的粒子形成恒星、行星，最終形成人類，我們似乎也有理由期待這個演化過程在鏡像世界中發(fā)生。那里有鏡像恒星、鏡像行星，甚至鏡像人類。因為我們說暗物質(zhì)“暗”，只是它們跟我們世界里的物質(zhì)關(guān)系“冷淡”（除了引力，沒有其他相互作用），至于它們自己，關(guān)系則“熱絡(luò)”著呢，說不定也有鏡像電磁力、鏡像核力等。我們世界中的普通物質(zhì)，在鏡像世界看來，倒成了“暗物質(zhì)”。誰知道呢，甚至可能鏡像人類正在試圖搞明白為什么他們宇宙中的“物質(zhì)”與“看不見的物質(zhì)”之比是5∶1呢。

寄希望于中子實驗

這是一個大膽的猜測，但要找到確鑿的證據(jù)并非易事。困難在于，鏡像世界與我們的世界，除了引力，不發(fā)生別的相互作用，電磁力、強弱核力統(tǒng)統(tǒng)沒有，而引力又太弱了，無法進行實驗。

這就又回到了前面的話題，答案可能在于對中子壽命進行更好的測量。2012年，一篇論文聲稱：因為地球引力，地球自轉(zhuǎn)會把少量鏡像物質(zhì)拖著走;攜帶電荷的鏡像粒子（比如鏡像電子）的運動會產(chǎn)生鏡像磁場;處于普通磁場中的中子（如“磁陷阱”中的中子），受到鏡像磁場的影響，切換到鏡像世界的概率會增加。

這個想法引起了實驗家的興趣。他們使用一種更靈敏的儀器來測試鏡像磁場是否會影響“磁陷阱”中的中子壽命。實驗還包括對“磁陷阱”施加不同強度的磁場，看看是否影響中子的壽命。目前實驗已完成，數(shù)據(jù)正在分析之中。

另一個實驗正在美國橡樹嶺國家實驗室緊鑼密鼓地籌備。其背后的想法相當簡單：往一堵墻上發(fā)射一束中子，墻足夠厚，而且中子會被墻上的特殊物質(zhì)吸收，無法穿透。因此一般情況下，在墻另一側(cè)的中子探測器是探測不到中子的。但倘若中子在行進過程中，“切換”到了鏡像世界，搖身變成鏡像中子——對于鏡像中子來說，這堵墻是不存在的。然后，過了墻，它又“切換”回我們的世界，變成普通中子，那么墻另一側(cè)的中子探測器就可能探測到中子。

萬一這些實驗壓根兒沒找到鏡像世界存在的蛛絲馬跡呢？估計，理論家們也不會輕易放棄這個猜想。畢竟，“鏡子”太重要了，他們已經(jīng)把很多賭注押在它身上。

除了暗物質(zhì)，還有什么賭注？請參看拓展閱讀。

小貼士

粒子的壽命

在微觀世界，由于量子的不確定性，粒子的壽命也是不確定的。我們所說的粒子壽命，只是統(tǒng)計的結(jié)果（即不是測量單個中子，而是測一群中子）。物理學上，把粒子的壽命等同于它的半衰期。所謂半衰期，就是一群相同的粒子衰變到只剩下一半所需的時間。

例如，要測量中子的壽命，先收集n個中子，如果經(jīng)過t時間，只剩下n/2個中子了，我們就說，中子的壽命（或半衰期）是t。不難看出，中子減少得越快，測得的壽命越短。

拓展閱讀

鏡子能解決哪些物理學難題？

1、為什么宇宙是“有”而不是“無”？

宇宙在誕生之初，產(chǎn)生的物質(zhì)和反物質(zhì)本應(yīng)該一樣多的。但是，假如等量的正反物質(zhì)相互湮滅之后，宇宙又復歸于無，也就沒有今天的我們了?？梢姡谖覀兊挠钪嬷?，物質(zhì)還是比反物質(zhì)要多。

為什么會這樣的呢？我們在正文中曾經(jīng)提到一種破壞宇稱守恒的K介子。有科學家認為，在早期宇宙中，K介子在我們宇宙和鏡像宇宙之間的振蕩可能是解決這個問題的關(guān)鍵。

K介子和它的反粒子——反K介子——本來是一樣多的，但由于K介子在我們宇宙和鏡像宇宙之間來回玩“切換游戲”，反K介子亦復如此，因此在我們的宇宙中，兩者并不是任何時刻都一樣多的。比如說，在我們宇宙，原先有100個K介子和100個反K介子。在某時刻，有2個K介子和4個反K介子“切換”到鏡像世界去了，那么在我們的宇宙，只剩98個K介子和96個反K介子了。K介子比反K介子多了2個。這種此多彼少的現(xiàn)象叫漲落。

假如條件維持不變，這個正反K介子數(shù)量不等的漲落，本來是容易消除的。譬如，說不定下一時刻，跑到鏡像宇宙的正反K介子全跑回來了，于是在我們的宇宙中，正反K介子數(shù)量又持平了。

但這個條件并沒有長久維持，眾所周知，我們的宇宙后來發(fā)生了暴脹，溫度急劇下降，導致我們宇宙跟鏡像宇宙之間的溫差縮小了。前面，我們曾經(jīng)把兩者比作熱水和冷水，溫差縮小意味著兩個宇宙之間的“對流”少了。這樣，跑到鏡像宇宙中的正反K介子，不容易再跑回來了，導致在我們的宇宙中，物質(zhì)多于反物質(zhì)。

2、為什么鋰-7這么多？

物理學家早就注意到，這種鋰的同位素在現(xiàn)實世界中的含量與理論上預(yù)言的宇宙最初幾分鐘內(nèi)應(yīng)該制造的含量不相匹配。為什么呢？根據(jù)一位法國物理學家的說法，進入我們世界的鏡像中子可以讓鈹-7不穩(wěn)定，而鈹-7衰變產(chǎn)生鋰-7，導致鋰-7的含量高于理論預(yù)期。

3、超高能宇宙射線是從哪里來的？

我們的望遠鏡正在探測來自銀河系外的粒子——雖然它們在出發(fā)時是高能粒子，但在經(jīng)過如此漫長的旅程之后，這些粒子的能量應(yīng)該已經(jīng)小到幾乎不可探測。

然而，假如這些粒子在飛行途中，在鏡像世界和我們世界之間來回“切換”的話，它們就能保持住很大一部分能量，因為在鏡像世界中的運動幾乎不消耗能量。所以，當我們探測到它們時，能量依然很高。