劉聲遠(yuǎn)

連續(xù)一個(gè)月，物理學(xué)家戈漢姆及其同事一直在觀察一只高高飄浮在冰面上空、攜帶一系列天線的巨型氣球。這只氣球掃描南極洲超過(guò)100萬(wàn)平方千米的冰凍地貌，尋找來(lái)自太空的高能粒子。

除了奇怪的背景噪聲信號(hào)之外，這只氣球的首次飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎乏善可陳。一年多以后的第二次飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也一樣無(wú)可炫耀。當(dāng)該氣球進(jìn)行第三次掃描時(shí)，科學(xué)家決定重審它的過(guò)往探測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是那些之前被作為噪聲而忽視的信號(hào)。這一決定真的很重要。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步檢驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)看似為高能粒子指征的信號(hào)。但它并非是他們尋找的目標(biāo)，而且它是一個(gè)“不可能的信號(hào)”——這個(gè)粒子竟然不是來(lái)自太空，而是從地下爆發(fā)出來(lái)的。

這一奇怪的發(fā)現(xiàn)是在2016年獲得的。此后，科學(xué)家提出了基于已知物理學(xué)的各種理論來(lái)解釋這個(gè)奇怪信號(hào)，但所有這些解釋都被排除。不過(guò)，該信號(hào)的重要含義卻揮之不去——要想解釋這個(gè)信號(hào)，就需要在創(chuàng)生我們所在宇宙的大爆炸中還創(chuàng)生一個(gè)與我們的宇宙上下顛倒的平行宇宙，也稱鏡像宇宙或反宇宙。在我們看來(lái)，在我們宇宙中正的東西在這個(gè)鏡像宇宙中都是反的，左的都是右的，時(shí)間是倒流的。這可能是從南極冰層中浮現(xiàn)出來(lái)的最令人費(fèi)解的觀點(diǎn)，但它可能是正確的。

一個(gè)驚人的信號(hào)

這項(xiàng)雄心勃勃的氣球?qū)嶒?yàn)就是“南極脈沖瞬變天線”（又稱“安妮塔”）。說(shuō)它雄心勃勃一點(diǎn)也不為過(guò)。為什么呢？

地球經(jīng)常被宇宙射線轟炸。宇宙射線是來(lái)自太空最深處的粒子，其中一些粒子的能量是目前最好的粒子加速器所能產(chǎn)生能量的100萬(wàn)倍。科學(xué)家希望了解這些超高能宇宙射線的構(gòu)成和來(lái)源，但這些問(wèn)題很難回答。首先，宇宙射線的軌跡被銀河系中的無(wú)數(shù)個(gè)磁場(chǎng)扭曲，因此幾乎不可能追蹤宇宙射線的起源地。

安妮塔實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

幸運(yùn)的是，不管是什么源頭產(chǎn)生了超高能宇宙射線，它也一定會(huì)產(chǎn)生一種更有用的“燈塔”——中微子。因?yàn)椴粠щ姡灾形⒆硬皇艽艌?chǎng)影響，而是在太空中直線穿梭。這樣一來(lái)，只需追蹤一個(gè)中微子的源頭，就能追蹤到與這個(gè)中微子相生相伴的宇宙射線的源頭。追蹤中微子的源頭很簡(jiǎn)單——從它撞擊地球的點(diǎn)位倒推它的軌跡就行。安妮塔的使命正是尋找宇宙射線的起源，難道它還不算十足的雄心勃勃？

當(dāng)一個(gè)高能中微子墜入南極冰中時(shí)，其產(chǎn)生的帶電粒子雨會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波。如果安妮塔探測(cè)到發(fā)射自地表的這類無(wú)線電波，科學(xué)家就能推算出中微子的撞擊地點(diǎn)，由此確定與中微子相伴的宇宙射線的源頭。安妮塔實(shí)驗(yàn)的主要參與者、美國(guó)夏威夷大學(xué)實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家戈漢姆說(shuō)，這個(gè)反推過(guò)程簡(jiǎn)單明了。

然而，這個(gè)過(guò)程卻無(wú)法解釋科學(xué)家在2016年辨識(shí)的奇怪信號(hào)（簡(jiǎn)稱安妮塔信號(hào)）。既然這個(gè)奇怪的高能粒子不是從天而降，而是蹦出地表，那么就可以推斷它從地球另一側(cè)進(jìn)入地球，穿越地球內(nèi)部后又飛出地表。低能中微子能完成這種旅行，因?yàn)樗鼈兡茌p易穿透物質(zhì)。但不管是高能中微子還是宇宙射線，遇到像地球這樣的實(shí)體都不可能不受阻礙。

中微子有3種類型：電中微子、μ中微子和τ中微子。它們都不能高速穿行，但τ中微子偶爾會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N粒子——輕子，然后再恢復(fù)成τ中微子。不能排除這種可能性：一個(gè)高能τ中微子在進(jìn)入地球后通過(guò)這種形變而完成穿越地球之旅。但這種解釋備受爭(zhēng)議，畢竟它也只是一種猜想。

2018年，安妮塔信號(hào)這個(gè)奧秘變得更難解了。當(dāng)時(shí)，安妮塔發(fā)現(xiàn)了從地面爆出的另一個(gè)大質(zhì)量粒子信號(hào)。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)科學(xué)家?？怂辜捌渫抡f(shuō)，安妮塔根本不可能在這么短時(shí)間里看到兩次這類事件，因?yàn)樗麄兊挠?jì)算表明一個(gè)τ中微子在安妮塔任務(wù)期間兩次自由穿越地球的概率只有一百萬(wàn)分之一。這樣一來(lái)，就不能用τ中微子來(lái)解釋安妮塔信號(hào)。

正因?yàn)榘材菟盘?hào)太難解，所以有些科學(xué)家甚至用已知物理學(xué)以外的知識(shí)來(lái)解釋它們。40多年來(lái)，粒子物理一直被標(biāo)準(zhǔn)模型主導(dǎo)。所謂標(biāo)準(zhǔn)模型，是指一整套粒子和力，它們?cè)诮忉屪匀皇澜绶矫娣浅?zhǔn)確。但每當(dāng)像安妮塔發(fā)現(xiàn)奇怪信號(hào)的時(shí)候，科學(xué)家經(jīng)常會(huì)打破常規(guī)。例如，西班牙巴塞羅那大學(xué)的伊斯特本教授指出，安妮塔觀測(cè)到的奇怪粒子可能是軸子?？茖W(xué)家在20世紀(jì)70年代末首次提出軸子這種假想粒子，目的是為了解釋為什么在強(qiáng)相互作用中CP是守恒的（即強(qiáng)CP問(wèn)題），安妮塔信號(hào)可能是由在與地球磁場(chǎng)作用時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾拥妮S子產(chǎn)生的。

超對(duì)稱（示意圖）。

?？怂辜捌渫聞t用超對(duì)稱理論來(lái)解釋安妮塔信號(hào)。超對(duì)稱理論是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的大大延伸。按照該理論，每一種已知的基本粒子都有一個(gè)通常質(zhì)量更大的孿生粒子。福克斯等人相信，穿越地球、產(chǎn)生安妮塔信號(hào)的粒子是超對(duì)稱τ中微子。但問(wèn)題是，旨在探測(cè)超對(duì)稱粒子的其他實(shí)驗(yàn)裝置（例如位于瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）根本就沒(méi)有探測(cè)到這樣的粒子。因此，許多物理學(xué)家不認(rèn)可對(duì)安妮塔信號(hào)的超對(duì)稱解釋。

一種驚人的解釋

在加拿大圓周理論物理研究所科學(xué)家圖洛克看來(lái)，所有前述解釋都太過(guò)復(fù)雜。他相信，要想解釋安妮塔信號(hào)，無(wú)須發(fā)明一系列假想粒子，而只需通過(guò)研究已知的東西就行。許多人認(rèn)為，粒子物理學(xué)已從最簡(jiǎn)潔變成了最復(fù)雜的預(yù)測(cè)理論。但圖洛克不這么看。

可能正是圖洛克 “對(duì)事物進(jìn)行簡(jiǎn)單解釋”的偏好，讓他對(duì)安妮塔信號(hào)提出了一種非凡的解釋。圖洛克起初關(guān)注的對(duì)象與南極冰完全無(wú)關(guān)，而是宇宙大爆炸的最直接后果。要想研究這一時(shí)期，指南資料不多，其中一種理論是對(duì)稱——在某些改變下，物理學(xué)法則保持不變。

我們用簡(jiǎn)寫指代這些對(duì)稱。例如，C對(duì)稱代表電荷共軛對(duì)稱性，是指把一個(gè)粒子的電荷用該粒子的反物質(zhì)電荷替換后不會(huì)影響粒子的基本行為。P對(duì)稱代表奇偶變換對(duì)稱性，是指一種情景下的物理學(xué)和該情景的鏡像情景下的物理學(xué)相同。T對(duì)稱代表時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，是指時(shí)光倒流之下的過(guò)程并不違反任何物理學(xué)法則。

安妮塔氣球升空，掃描南極。

涉及基本粒子的幾種過(guò)程已知會(huì)違反C、P和T對(duì)稱中的一種，也就是有偏離，但如果也違反另外兩種就能糾偏。如此看來(lái)，從整體上說(shuō)，CPT對(duì)稱永遠(yuǎn)不能打破。圖洛克說(shuō)，自然界萬(wàn)事萬(wàn)物都不能避開CPT對(duì)稱。

2018年，圖洛克及其同事開始探索這樣一個(gè)課題：如果CPT對(duì)稱在宇宙最早時(shí)期存在，那么在今天CPT對(duì)稱意味著什么？他們發(fā)現(xiàn)自己的計(jì)算結(jié)果對(duì)大爆炸噴射出的粒子類型和數(shù)量有嚴(yán)格限制。其中一種粒子是右旋中微子。這與圖洛克不想用假想粒子來(lái)解釋安妮塔信號(hào)背道而馳。但物理學(xué)界普遍相信，右旋中微子對(duì)于平衡已知的中微子——左旋中微子（以其旋轉(zhuǎn)方向而得名）質(zhì)量來(lái)說(shuō)是必要的。CPT對(duì)稱要求存在足量的右旋中微子，而圖洛克及其同事發(fā)現(xiàn)，如果他們把一個(gè)右旋中微子的質(zhì)量定得正好合適，那么就能匹配宇宙中最難以琢磨的物質(zhì)——暗物質(zhì)的質(zhì)量。物理學(xué)家?guī)资陙?lái)一直在尋找暗物質(zhì)，但沒(méi)有找到。圖洛克等人不敢相信，右旋中微子竟然是暗物質(zhì)的最佳候選對(duì)象——圖洛克等人算出的右旋中微子質(zhì)量恰好匹配產(chǎn)生安妮塔信號(hào)的粒子質(zhì)量！當(dāng)然，圖洛克等人當(dāng)時(shí)并不知道這個(gè)巧合。

一個(gè)驚人的巧合

美國(guó)紐約城市大學(xué)理論物理學(xué)家路易斯及其同事最先指出這個(gè)巧合。他們提出，數(shù)百萬(wàn)乃至上千萬(wàn)年來(lái)，宇宙中彌漫的右旋中微子一直在被地球磁場(chǎng)俘獲，此后一直待在地球內(nèi)部。他們還猜測(cè)，這些暗物質(zhì)粒子有時(shí)會(huì)衰減成希格斯玻色子和τ中微子對(duì)，因而產(chǎn)生安妮塔信號(hào)。路易斯說(shuō)，圖洛克團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)到的正是安妮塔信號(hào)能量，這簡(jiǎn)直太驚人。畢竟，這是一個(gè)具體的量化預(yù)測(cè)，而且它被實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持，這在粒子物理學(xué)中實(shí)屬罕見。

但如果安妮塔信號(hào)粒子真的是右旋中微子，真的是暗物質(zhì)粒子，那么對(duì)于解釋我們所知的宇宙來(lái)說(shuō)就有麻煩。CPT對(duì)稱的一個(gè)直接推論是，在大爆炸剛剛發(fā)生后的宇宙（即我們的宇宙）中有相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但這兩者不能和平共處，而是立即互相湮滅，只留下能量。事實(shí)卻是，今天宇宙中的物質(zhì)數(shù)量大大超過(guò)反物質(zhì)數(shù)量。這讓許多宇宙學(xué)家認(rèn)為，宇宙并不總是符合CPT對(duì)稱。為了克制這種質(zhì)疑，圖洛克團(tuán)隊(duì)需要回答這樣一個(gè)大問(wèn)題：我們的宇宙究竟怎樣存在？

答案在于CPT對(duì)稱自身，而且答案很讓人費(fèi)解。為了理解這個(gè)答案，需要考慮我們已知的最基本粒子過(guò)程之一：在一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)存在之下，電子及其反物質(zhì)形式——正電子的產(chǎn)生。然而，為了嚴(yán)格遵循CPT對(duì)稱，還需以另一種方式來(lái)看待“我們的宇宙究竟怎樣存在”這個(gè)問(wèn)題的答案：在電場(chǎng)產(chǎn)生以前正電子是時(shí)光倒流的電子，電場(chǎng)產(chǎn)生后電子才不再時(shí)光倒流。盡管聽起來(lái)很怪異，但前述兩種方式的考慮應(yīng)該是完全等價(jià)的，無(wú)法查明其中哪一種“正確”。

圖洛克對(duì)安妮塔信號(hào)提出的解釋之所以非凡，就在于要求類似的情況也發(fā)生于我們所在的宇宙中。有關(guān)大爆炸的傳統(tǒng)觀點(diǎn)是：在大爆炸那個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生的是一個(gè)單一的宇宙，而且這個(gè)宇宙中幾乎不存在反物質(zhì)。而為了不違反CPT對(duì)稱，大爆炸就必須產(chǎn)生兩個(gè)平行的宇宙，大部分物質(zhì)進(jìn)入其中一個(gè)宇宙（即我們的宇宙），大部分反物質(zhì)則進(jìn)入另一個(gè)宇宙。在這另一個(gè)宇宙中，一切都與我們宇宙中的上下顛倒，前后相反。另一個(gè)宇宙中的所有恒星和行星都由反物質(zhì)而非物質(zhì)構(gòu)成。而驚人的是，這個(gè)反宇宙在時(shí)間上向后朝著大爆炸時(shí)點(diǎn)收縮，而不是離開大爆炸時(shí)點(diǎn)向前膨脹。

安妮塔團(tuán)隊(duì)在工作。

期待驚人的發(fā)現(xiàn)

至少，從我們的視角看去反宇宙就是這樣。正如CPT對(duì)稱規(guī)定一個(gè)在時(shí)間上向前行的正電子等同于一個(gè)在時(shí)間上向后退的電子，我們的宇宙也等同于在我們看來(lái)一切都與我們的相反的反宇宙。對(duì)于反宇宙中的居民來(lái)說(shuō)，我們的宇宙才上下顛倒，向后退行，充滿“錯(cuò)誤”。實(shí)際上，我們不可能知道自己是居住在“正宇宙”還是居住在“反宇宙”，只知道另一個(gè)宇宙在我們眼中看來(lái)是反宇宙。從宇宙意義上講，時(shí)間并不是由某個(gè)外部觀察者強(qiáng)加的箭頭，而更像是一個(gè)個(gè)人風(fēng)向標(biāo)，指向這個(gè)人所在宇宙的膨脹方向?？傊?，時(shí)間可向前也可向后，至于定義時(shí)間向前還是向后，要看這個(gè)人所在的宇宙。在一個(gè)宇宙中，另一個(gè)平行宇宙——鏡像宇宙就是反宇宙，反之亦然。

這個(gè)觀點(diǎn)與現(xiàn)有的宇宙學(xué)觀點(diǎn)差之千里。圖洛克最先承認(rèn)自己的這個(gè)“前衛(wèi)”觀點(diǎn)還有一些漏洞需要堵住。但他相信，他和與他在這方面觀點(diǎn)一致的其他人無(wú)須引入新粒子就能堵住這些漏洞。一旦漏洞被堵住，那么他們的觀點(diǎn)就肯定比這方面的其他觀點(diǎn)更好。

對(duì)于圖洛克等人的觀點(diǎn)，的確有一個(gè)潛在的衡量裝置在工作。如果安妮塔的確捕捉到了由反宇宙觀點(diǎn)預(yù)測(cè)的右旋中微子，那么其他中微子觀測(cè)臺(tái)也應(yīng)該捕捉到它。然而，到了2019年末，與安妮塔相鄰的冰立方實(shí)驗(yàn)（它持續(xù)觀測(cè)由穿越1立方千米南極冰的中微子衰變產(chǎn)物產(chǎn)生的閃光）團(tuán)隊(duì)宣布，他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)來(lái)自安妮塔團(tuán)隊(duì)所聲稱信號(hào)方向的任何高能中微子。

但這并非是對(duì)反宇宙理論的死刑判決。路易斯指出，高能τ中微子的軌跡可能會(huì)被誤認(rèn)為是低能量μ中微子的軌跡。這一說(shuō)法尚存爭(zhēng)議，但它也暗示：安妮塔和冰立方團(tuán)隊(duì)可能都發(fā)現(xiàn)了有可能表明平行宇宙存在的證據(jù)。

還有其他多條途徑支持反宇宙觀點(diǎn)（也稱反宇宙理論）。該理論預(yù)測(cè)大爆炸應(yīng)該不會(huì)產(chǎn)生原始引力波（宇宙學(xué)家一直在尋找卻未能找到的時(shí)空上的漣漪）。該理論還預(yù)測(cè)三種中微子中最輕的一種實(shí)際上沒(méi)有質(zhì)量。圖洛克相信，這一點(diǎn)將在5～10年內(nèi)被證實(shí)。但如果這些預(yù)測(cè)最終被推翻，那么反宇宙理論也將崩潰。雖然有些擔(dān)心，但圖洛克還是對(duì)自己的這一理論算得上信心滿滿。

與此同時(shí)，科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)再次回到南極洲。他們希望捕捉到從地下爆發(fā)出來(lái)的更多大質(zhì)量粒子。自從安妮塔第四次軟著陸以來(lái)已經(jīng)過(guò)去了3年時(shí)間，而對(duì)它的探測(cè)數(shù)據(jù)的分析仍在進(jìn)行中。戈漢姆不愿意評(píng)說(shuō)分析內(nèi)容。他只是說(shuō)：“我們不知道該怎樣描述它（指安妮塔的探測(cè)結(jié)果），但我們發(fā)現(xiàn)了一些東西?！?p>

冰立方實(shí)驗(yàn)檢測(cè)奇異粒子（示意圖）。