石無(wú)魚

一個(gè)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(lái)都那么熟悉。墻上的鐘在嘀嗒響著;窗外，汽車轟隆駛過(guò);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(duì)勁：時(shí)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(lái)你是在看鏡中的像。

幾乎所有人都認(rèn)為鏡中的世界是“假的”——雖然有一本書叫《愛(ài)麗絲鏡中游記》，講述了種種鏡中的冒險(xiǎn)趣事，但那畢竟是童話?？墒菍?duì)于一些物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，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(shí)存在的，而且說(shuō)不定就藏在我們身邊。在那個(gè)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(méi)被發(fā)現(xiàn)。但這并不意味著我們永遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)不了。一些粒子或許會(huì)在我們的世界和鏡像世界之間相互“切換”——一會(huì)兒在這個(gè)世界現(xiàn)形，一會(huì)兒在那個(gè)世界現(xiàn)形——這樣，就暴露了鏡像世界的存在。

如今，物理學(xué)家正在安排實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)假說(shuō)。如果真找到這么一個(gè)鏡像宇宙，除了我們對(duì)現(xiàn)實(shí)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(wèn)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(gè)全新的世界，讓人類的眼界豁然大開，當(dāng)然不是一件容易的事，但在物理學(xué)上，這種近乎奇跡的事情并非沒(méi)有發(fā)生過(guò)。1928年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克根據(jù)量子力學(xué)的理論預(yù)言，宇宙中存在一個(gè)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(xué)家弗里茨·茨威基觀察到，星系團(tuán)中可見物質(zhì)的萬(wàn)有引力，似乎無(wú)法為星系團(tuán)的快速旋轉(zhuǎn)提供足夠的向心力。換句話說(shuō)，倘若沒(méi)有額外的引力，星系團(tuán)早該解體，不存在了。

今天，我們認(rèn)為這個(gè)額外的引力來(lái)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(méi)有別的相互作用，尤其沒(méi)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(méi)找到。盡管如此，暗物質(zhì)的說(shuō)法已被主流科學(xué)界所接受。

反物質(zhì)和暗物質(zhì)的存在，為我們認(rèn)識(shí)物質(zhì)、認(rèn)識(shí)宇宙，提供了全新的思路。譬如，困擾現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)難題是：到底存不存在一個(gè)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(huì)灰飛煙滅，反物質(zhì)世界必定離我們非常遙遠(yuǎn)）？還有，在我們身邊存不存在一個(gè)“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(gè)全新的世界——鏡像世界！

宇稱守恒還是不守恒？

在物理學(xué)中，一個(gè)很有用的概念是對(duì)稱。物理學(xué)中所說(shuō)的對(duì)稱，指的是物理規(guī)律在某些變換下保持不變。比如，一個(gè)球從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，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(duì)稱性。再比如，僅僅改變一個(gè)球的顏色，它對(duì)地球引力的反應(yīng)不受影響。假如取個(gè)名，也可以叫做“顏色變換對(duì)稱性”。

粒子物理學(xué)中一個(gè)很重要的對(duì)稱性叫“宇稱”，即“左右對(duì)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(guò)程和規(guī)律也保持不變。

例如，一個(gè)小球向右運(yùn)動(dòng)，它遵從牛頓運(yùn)動(dòng)定律。假如我們放一面鏡子，在鏡像世界里做這個(gè)實(shí)驗(yàn)——你或許會(huì)好奇：我們?cè)趺吹界R像世界去做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？其?shí)，不必跑到鏡子里去，只要把實(shí)驗(yàn)裝置都按鏡像所顯示的那樣去安排就是了——小球則向左運(yùn)動(dòng)。但與像向右運(yùn)動(dòng)的小球一樣，向左運(yùn)動(dòng)的小球，也遵從牛頓運(yùn)動(dòng)定律。

在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，物理學(xué)家相信，在自然界，宇稱是守恒的。但這個(gè)看似天經(jīng)地義的猜測(cè)，后來(lái)卻遇到了麻煩。

1950年代初，科學(xué)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(rèn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生2個(gè)π介子，τ則衰變成3個(gè)π介子，這說(shuō)明它們遵循著不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

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

1956年，李政道和楊振寧在深入細(xì)致地研究了各種因素之后，大膽地?cái)嘌裕害雍挺仁峭耆嗤囊环N粒子（后來(lái)被稱為K介子），但在涉及弱核力的衰變中，宇稱不守恒了，導(dǎo)致它沒(méi)有固定的衰變方式，既可以衰變成2個(gè)π介子，也可以衰變成3個(gè)π介子。

李政道和楊振寧的觀點(diǎn)震動(dòng)了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界。此后不久，吳健雄用一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“宇稱不守恒”。從此，“宇稱不守恒”才真正被承認(rèn)。

鏡像世界真實(shí)存在？

但鮮為人知的是，李和楊也曾提出過(guò)另一個(gè)相當(dāng)瘋狂的解釋。他們認(rèn)為，宇稱之所以看起來(lái)不守恒，只是因?yàn)槲覀儍H看了我們宇宙的情況;倘若存在另一個(gè)隱藏起來(lái)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(gè)宇宙合起來(lái)考慮，宇稱總體上還是守恒的。

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

這個(gè)存在真實(shí)的鏡像世界的想法當(dāng)時(shí)并不受歡迎，所以李和楊很快就放棄了。但在粒子物理學(xué)面臨著許多難題的今天，一些人又開始重拾這種觀點(diǎn)。他們說(shuō)，事實(shí)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(lái)，物理學(xué)家一直在努力弄清楚自由中子在衰變前究竟能存在多長(zhǎng)時(shí)間，但得到的結(jié)果是相互矛盾的。

測(cè)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(dāng)簡(jiǎn)單：你用一個(gè)弱磁場(chǎng)將一群中子聚集到一口“陷阱”中，讓它們?cè)诶锩嫠プ儯^(guò)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(cè)量它產(chǎn)生的質(zhì)子數(shù)。質(zhì)子帶電，更容易測(cè)量。一個(gè)中子衰變產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子。用該方法測(cè)量，得到的中子壽命為14分48秒。

兩種辦法測(cè)得的壽命差為9秒鐘。起初，物理學(xué)家將其歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)誤差。但是，隨著測(cè)量技術(shù)的提高，現(xiàn)在測(cè)量誤差越來(lái)越小了，可這兩個(gè)數(shù)值并沒(méi)有趨于一致。中子似乎有兩個(gè)壽命。

一些物理學(xué)家認(rèn)為，鏡像世界如果存在的話，可能是出現(xiàn)上述問(wèn)題的罪魁禍?zhǔn)?。他們提出一種猜想：中子或許在兩個(gè)世界之間來(lái)回振蕩。中子一生中只有部分時(shí)間逗留在我們的宇宙，剩余時(shí)間是在“平行”（因?yàn)榫驮谖覀兩磉叄┑溺R像世界中度過(guò)的，在那里它們發(fā)射的任何質(zhì)子都不會(huì)被我們發(fā)現(xiàn)。

他們計(jì)算了一下：如果100個(gè)中子中有1個(gè)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(cè)量到的中子壽命較短。因?yàn)檫@個(gè)中子隱身于鏡像世界之后，我們就測(cè)不到它了。這就是說(shuō)，當(dāng)我們測(cè)到只剩50個(gè)中子時(shí)，它實(shí)際上只有49個(gè)中子衰變了，這自然比50個(gè)中子衰變所需要的時(shí)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(gè)藏身之地，并解釋為什么暗物質(zhì)這么很難找。 當(dāng)你了解到鏡像世界中可能會(huì)藏有多少暗物質(zhì)時(shí)，這個(gè)猜測(cè)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(gè)鏡像世界模型預(yù)測(cè)，我們世界中每1個(gè)普通粒子對(duì)應(yīng)鏡像世界中的5個(gè)粒子——這正好和普通物質(zhì)與測(cè)量得到的暗物質(zhì)之比1∶5相符。

在我們這個(gè)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(gè)演化過(guò)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?yàn)槲覀冋f(shuō)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(méi)有其他相互作用），至于它們自己，關(guān)系則“熱絡(luò)”著呢，說(shuō)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(lái)，倒成了“暗物質(zhì)”。誰(shuí)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(shí)驗(yàn)

這是一個(gè)大膽的猜測(cè)，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(qiáng)弱核力統(tǒng)統(tǒng)沒(méi)有，而引力又太弱了，無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

這就又回到了前面的話題，答案可能在于對(duì)中子壽命進(jìn)行更好的測(cè)量。2012年，一篇論文聲稱：因?yàn)榈厍蛞?，地球自轉(zhuǎn)會(huì)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(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生鏡像磁場(chǎng);處于普通磁場(chǎng)中的中子（如“磁陷阱”中的中子），受到鏡像磁場(chǎng)的影響，切換到鏡像世界的概率會(huì)增加。

這個(gè)想法引起了實(shí)驗(yàn)家的興趣。他們使用一種更靈敏的儀器來(lái)測(cè)試鏡像磁場(chǎng)是否會(huì)影響“磁陷阱”中的中子壽命。實(shí)驗(yàn)還包括對(duì)“磁陷阱”施加不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，看看是否影響中子的壽命。目前實(shí)驗(yàn)已完成，數(shù)據(jù)正在分析之中。

另一個(gè)實(shí)驗(yàn)正在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室緊鑼密鼓地籌備。其背后的想法相當(dāng)簡(jiǎn)單：往一堵墻上發(fā)射一束中子，墻足夠厚，而且中子會(huì)被墻上的特殊物質(zhì)吸收，無(wú)法穿透。因此一般情況下，在墻另一側(cè)的中子探測(cè)器是探測(cè)不到中子的。但倘若中子在行進(jìn)過(guò)程中，“切換”到了鏡像世界，搖身變成鏡像中子——對(duì)于鏡像中子來(lái)說(shuō)，這堵墻是不存在的。然后，過(guò)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(cè)器就可能探測(cè)到中子。

萬(wàn)一這些實(shí)驗(yàn)壓根兒沒(méi)找到鏡像世界存在的蛛絲馬跡呢？估計(jì)，理論家們也不會(huì)輕易放棄這個(gè)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(qǐng)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(shuō)的粒子壽命，只是統(tǒng)計(jì)的結(jié)果（即不是測(cè)量單個(gè)中子，而是測(cè)一群中子）。物理學(xué)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(shí)間。

例如，要測(cè)量中子的壽命，先收集n個(gè)中子，如果經(jīng)過(guò)t時(shí)間，只剩下n/2個(gè)中子了，我們就說(shuō)，中子的壽命（或半衰期）是t。不難看出，中子減少得越快，測(cè)得的壽命越短。

拓展閱讀

鏡子能解決哪些物理學(xué)難題？

1、為什么宇宙是“有”而不是“無(wú)”？

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(fù)歸于無(wú)，也就沒(méi)有今天的我們了?？梢?，在我們的宇宙中，物質(zhì)還是比反物質(zhì)要多。

為什么會(huì)這樣的呢？我們?cè)谡闹性?jīng)提到一種破壞宇稱守恒的K介子。有科學(xué)家認(rèn)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(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。

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

假如條件維持不變，這個(gè)正反K介子數(shù)量不等的漲落，本來(lái)是容易消除的。譬如，說(shuō)不定下一時(shí)刻，跑到鏡像宇宙的正反K介子全跑回來(lái)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(gè)條件并沒(méi)有長(zhǎng)久維持，眾所周知，我們的宇宙后來(lái)發(fā)生了暴脹，溫度急劇下降，導(dǎo)致我們宇宙跟鏡像宇宙之間的溫差縮小了。前面，我們?cè)?jīng)把兩者比作熱水和冷水，溫差縮小意味著兩個(gè)宇宙之間的“對(duì)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(lái)了，導(dǎo)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(xué)家早就注意到，這種鋰的同位素在現(xiàn)實(shí)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(guó)物理學(xué)家的說(shuō)法，進(jìn)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(dǎo)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(lái)的？

我們的望遠(yuǎn)鏡正在探測(cè)來(lái)自銀河系外的粒子——雖然它們?cè)诔霭l(fā)時(shí)是高能粒子，但在經(jīng)過(guò)如此漫長(zhǎng)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(cè)。

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(lái)回“切換”的話，它們就能保持住很大一部分能量，因?yàn)樵阽R像世界中的運(yùn)動(dòng)幾乎不消耗能量。所以，當(dāng)我們探測(cè)到它們時(shí)，能量依然很高。