影子世界

孫壯叔

1908年夏季的某個(gè)夜晚，西伯利亞通古斯地區(qū)發(fā)出隆隆巨響，據(jù)說相隔千里之外的人們都聽到了這雷鳴般的聲音。究竟發(fā)生了什么?無人得知，因?yàn)槟抢锸且煌麩o際的荒野。此事件當(dāng)時(shí)引起了俄國人和歐洲人的轟動(dòng)，他們相繼派出了科研調(diào)查小組，前去那里察看。結(jié)果他們說，約有2000平方千米的森林呈輻射狀被推倒，但卻找不到爆炸形成的巨坑。那么，這個(gè)威力強(qiáng)大的破壞者是誰?科學(xué)家提出了一連串的兇手名單，諸如地震、彗星的隕落、大隕石碰撞地面等，可是都經(jīng)不起人們的核查，而被一一否決；以后科學(xué)家又提出了微型黑洞、反物質(zhì)塊等原因，結(jié)果還是未能定案。這個(gè)世紀(jì)之謎一直未破，最近理論家又提出了一個(gè)疑兇——影子物質(zhì)。這是什么東西?實(shí)在是前所未聞。

若你看鏡中的你，跟真實(shí)的你幾乎一模一樣，僅是方向相反，這意味著大自然是對稱的。但隨著科學(xué)研究的深入，物理學(xué)家打開原子大門，進(jìn)入到微觀粒子世界，卻發(fā)現(xiàn)事情并非如此。例如，中微子總是左手性的(這指的是其自旋方向)，從未見過右手性的中微子。20世紀(jì)50年代，李政道、楊振寧(皆為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者)首次指出了大自然的不對稱性。他們猜測，只有存在一個(gè)鏡像或影子世界，我們的宇宙才具有對稱性。這是什么意思呢?例如我們世界中的某個(gè)物理過程，若產(chǎn)生左手性的粒子，那么在影子世界中也有同樣的物理過程，相應(yīng)產(chǎn)生右手性粒子。看到這里，也許我們想到了反物質(zhì)，但影子物質(zhì)跟前者并非一回事。它們惟一相同的地方是它們都出自理論，但反物質(zhì)粒子在實(shí)驗(yàn)室中已是家常便飯，而影子物質(zhì)則還在探索之中。

影子粒子跟其對應(yīng)的普通粒子具有相同的質(zhì)量。在影子世界中，影子夸克和其他影子粒子，是通過影子力而相互作用的，這一過程也類似于我們的世界。而影子粒子跟普通粒子，卻只能通過引力才能相互作用，否則，它們的存在是無法被我們覺察的，同樣的，我們的宇宙也不為它們所知。

上述談?wù)摱际抢碚摚敲此欠裾娴拇嬖谀?現(xiàn)在有些科學(xué)家說，他們對此可用實(shí)驗(yàn)來證明，它并非是空口說白話。

關(guān)于影子世界的線索首先來看中微子。物理學(xué)家長期觀測著這個(gè)幽靈般的粒子(它來自太陽內(nèi)部的核反應(yīng))，經(jīng)大量的測量，測得的數(shù)量總是比理論預(yù)期的少。對這一短缺的解釋是這樣的，已知中微子有三種類型(μ、τ、電子中微子)，它們處于振盈并相互變化之中；另一方面，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，得出這樣一個(gè)結(jié)論：還可能存在一種新類型的中微子，它更不易被覺察，卻跟其他三種中微子易于相互作用，這個(gè)第四類的中微子很可能來自影子世界。富特說：“若中微子通過振盈而變成影子中微子的話，那就很好地解釋了太陽中微子短缺的疑難。”

一個(gè)更直接的線索來自鄰正電子素，這種東西在大自然中是否存在很難肯定，但它是實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)物，看上去頗似原子，不過電子所圍繞的不是原子核(由質(zhì)子、中子組成)，卻是一個(gè)“正電子”(它跟正電子素在結(jié)構(gòu)上完全相同，只是電子的旋轉(zhuǎn)方向不同)。20世紀(jì)90年代，一批科學(xué)家測量了鄰正電子素的壽命，結(jié)果要比預(yù)期的短。最初人們并不在意，直到2001年3月，美國的一個(gè)研究小組再次對它做了很精確的測量，但差距依然存在，物理學(xué)界為此大傷腦筋。后來歐洲核子研究所(CERN)的尼耐可等人發(fā)表文章說，這個(gè)疑點(diǎn)可用影子世界來解釋。

十幾年前，物理學(xué)家格拉肖(諾貝爾獎(jiǎng)獲得者)曾指出，鄰正電子素可能對影子世界特別敏感。后來赫唐的研究進(jìn)一步指出，普通物質(zhì)與影子物質(zhì)之間的相互作用，除了引力之外還有別的途徑。有一種攜帶微弱力的重粒子，跟普通物質(zhì)和影子物質(zhì)都可發(fā)生作用。而普通物質(zhì)與影子鄰正電子素的耦合，是融合了兩種不同的形態(tài)，其實(shí)際效應(yīng)是鄰正電子素徘徊(即振盈)在它自己與影子鄰正電子素之間，即一忽兒前者變成后者，一忽兒又回復(fù)原樣。而這種振盈解釋了短缺的壽期：譬如一些鄰正電子素，通過振盈而進(jìn)入影子世界，并在那里衰變，那么它就永遠(yuǎn)也無法振盈回來了。

尼耐可和富特正在準(zhǔn)備一個(gè)真空實(shí)驗(yàn)方案，擬不久后在CERN進(jìn)行，以證明他們關(guān)于影子世界的上述看法。他們將把鄰正電子素密封在一個(gè)熱測量器(它測量總的能量變化)的真空腔內(nèi)，“若發(fā)生振盈，那么一些粒子(鄰正電子素)將從我們的世界消失，儀器即可測量出一部分能量的缺失。”他們相信，近年內(nèi)就可得出影子世界是否存在的結(jié)論。

尼耐可的實(shí)驗(yàn)并非是觀察影子世界的惟一途徑，還有一條線索，就是尋找?guī)в形⑿‰姾傻牧Ｗ印Ｎ覀冎溃袔щ娏Ｗ佣紟в姓麛?shù)倍的電子電荷，或帶有1／3或2／3的電子電荷(如夸克)，幾無更小的電荷。但若普通粒子與影子粒子通過中介粒子而相互作用，而這種中介粒子帶有微小的影子電荷，類似地，影子粒子帶有微小的普通電荷，而這個(gè)電荷也許是電子電荷的1／10 000或1／100 000。物理學(xué)家已在油滴實(shí)驗(yàn)和粒子加速器的泡沫室中尋找這些“微電荷”，不過迄今尚無著落。

若尼耐可真的找到影子物質(zhì)，那么目前的宇宙學(xué)將做重要的修改，也將有助于物理學(xué)家精練出最終的物理理論。另一方面，有幾種超弦論預(yù)言了影子世界的存在，故物理界樂于看到對這一思想的實(shí)驗(yàn)性測試。此外，天文學(xué)家正在尋找新型物質(zhì)，因?yàn)橛钪嬷兄辽儆?0％的物質(zhì)似乎是神秘的暗物質(zhì)，只是由于它們施加在恒星和星系上的引力，才揭示出它們的存在。富特認(rèn)為“這暗物質(zhì)可能正是影子物質(zhì)”。若確有一個(gè)分享我們空間的影子宇宙，那么，它就可能擁有影子星系、恒星、行星，甚至影子生物，它們跟我們真的很難區(qū)分。

根據(jù)富特的看法，影子星有可能被看到，不過只是在它作為超新星爆發(fā)之時(shí)，它看上去應(yīng)該十分不同于普通的超新星爆發(fā)。由于影子物質(zhì)跟光子的耦合十分微弱，故通過一般的光學(xué)觀察是很難看到它的，但在爆發(fā)時(shí)，影子中微子振盈成普通中微子，將形成一個(gè)巨大的中微子暴。“這些情況對地面的(中微子)觀測來說，可能揭示出一個(gè)影子超新星，正如1987年，天文學(xué)家通過中微子暴揭露出一個(gè)普通超新星爆發(fā)。”

那么影子行星的情況又是如何呢?我們不可能觀察到一個(gè)影子太陽系，因其太陽是看不到的，而影子行星有可能是圍繞著普通太陽運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，在最近5年來，已探測到40顆左右的太陽系外行星，它們可能是影子行星。目前，它們的存在，并非是從望遠(yuǎn)鏡中看到的，而是通過它們的引力影響而測得的。下一代的望遠(yuǎn)鏡將能探明真相，若它們是普通行星，將可看到它們所反射的光；而影子行星是不會(huì)反射其陽光的。因而，只能測得其引力效應(yīng)，卻又看不到其身的，必將是影子行星!

影子星可能具有兇險(xiǎn)的面貌。1984年，羅泊等研究者指出，太陽可能有一顆遙遠(yuǎn)的伴星，取名“復(fù)仇女神”，它周期性地觸動(dòng)奧爾特彗星星云，使彗星拋出水體與地球相撞，這就有可能解釋地球歷史上周期性出現(xiàn)的生物大絕滅。不過迄今為止，沒有人找到過這顆伴星。最近，俄國科學(xué)家雪累蓋茲說：“它可能是一顆不可見的影子星，很難證實(shí)，卻引人猜疑。”富特的猜測似乎更吸引人：1908年的通古斯大爆炸，很可能是一個(gè)影子隕石或影子彗星惹的禍。影子物質(zhì)和普通物質(zhì)之間的作用力雖很微弱，但由于隕石(或彗星)體積很大，釋放的能量也必然巨大，足以摧毀這些森林，一旦鉆入地球也能熔化大量巖石。他說：“這一猜測是可檢驗(yàn)的，只要在通古斯那個(gè)位置(碰撞點(diǎn))的下面，尋找地下曾釋放過大量能量的證據(jù)就可。”不過他為自己也留有余地，“我的想法似乎活靈活現(xiàn)，可是通古斯卻與影子物質(zhì)絲毫無關(guān)。”

華盛頓大學(xué)的教授克萊末走得更遠(yuǎn)，他猜想存在著一個(gè)與地球體積相同的影子地球，且跟地球合在一起，兩個(gè)地球相加的質(zhì)量就是我們現(xiàn)在測得的地球質(zhì)量，甚至還設(shè)計(jì)出一條通往影子地球的通道，實(shí)在是神乎其神。不過，這在富特看來，是“不可能的”。在結(jié)束本文的時(shí)刻，筆者又想起了暗物質(zhì)，若宇宙中暗物質(zhì)占90％，也即它們占了物質(zhì)中的極大部分，它們也有可能與普通物質(zhì)混合在一起。若暗物質(zhì)真的是影子物質(zhì)，那么就有可能出現(xiàn)這樣的場面：當(dāng)普通粒子組成原子時(shí)，影子粒子也照樣伴生出一個(gè)影子原子，繼而是影子分子、各種影子元素，最后當(dāng)然是有機(jī)影子分子，最終是影子生物、影子人。由于影子物質(zhì)跟普通物質(zhì)的耦合是極其微弱的，故它們的存在不為我們所覺察，即使我們自身與影子人合在一起，也同樣難以察覺。筆者認(rèn)為，這樣的猜想是合乎邏輯的，故若影子世界真的被證實(shí)，那么幾乎跟人類文明史同樣長久的“靈魂”一說，是否也找到了歸宿?