歡迎來到反宇宙

劉聲遠

連續一個月，物理學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100萬平方千米的冰凍地貌，尋找來自太空的高能粒子。

除了奇怪的背景噪聲信號之外，這只氣球的首次飛行實驗結果似乎乏善可陳。一年多以后的第二次飛行實驗結果，也一樣無可炫耀。當該氣球進行第三次掃描時，科學家決定重審它的過往探測數據，尤其是那些之前被作為噪聲而忽視的信號。這一決定真的很重要。經過進一步檢驗，科學家發現了一個看似為高能粒子指征的信號。但它并非是他們尋找的目標，而且它是一個“不可能的信號”——這個粒子竟然不是來自太空，而是從地下爆發出來的。

這一奇怪的發現是在2016年獲得的。此后，科學家提出了基于已知物理學的各種理論來解釋這個奇怪信號，但所有這些解釋都被排除。不過，該信號的重要含義卻揮之不去——要想解釋這個信號，就需要在創生我們所在宇宙的大爆炸中還創生一個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，在我們宇宙中正的東西在這個鏡像宇宙中都是反的，左的都是右的，時間是倒流的。這可能是從南極冰層中浮現出來的最令人費解的觀點，但它可能是正確的。

一個驚人的信號

這項雄心勃勃的氣球實驗就是“南極脈沖瞬變天線”（又稱“安妮塔”）。說它雄心勃勃一點也不為過。為什么呢？

地球經常被宇宙射線轟炸。宇宙射線是來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生能量的100萬倍。科學家希望了解這些超高能宇宙射線的構成和來源，但這些問題很難回答。首先，宇宙射線的軌跡被銀河系中的無數個磁場扭曲，因此幾乎不可能追蹤宇宙射線的起源地。

安妮塔實驗場景。

幸運的是，不管是什么源頭產生了超高能宇宙射線，它也一定會產生一種更有用的“燈塔”——中微子。因為不帶電，所以中微子不受磁場影響，而是在太空中直線穿梭。這樣一來，只需追蹤一個中微子的源頭，就能追蹤到與這個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單——從它撞擊地球的點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？

當一個高能中微子墜入南極冰中時，其產生的帶電粒子雨會產生無線電波。如果安妮塔探測到發射自地表的這類無線電波，科學家就能推算出中微子的撞擊地點，由此確定與中微子相伴的宇宙射線的源頭。安妮塔實驗的主要參與者、美國夏威夷大學實驗粒子物理學家戈漢姆說，這個反推過程簡單明了。

然而，這個過程卻無法解釋科學家在2016年辨識的奇怪信號（簡稱安妮塔信號）。既然這個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進入地球，穿越地球內部后又飛出地表。低能中微子能完成這種旅行，因為它們能輕易穿透物質。但不管是高能中微子還是宇宙射線，遇到像地球這樣的實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中微子偶爾會轉變為另一種粒子——輕子，然后再恢復成τ中微子。不能排除這種可能性：一個高能τ中微子在進入地球后通過這種形變而完成穿越地球之旅。但這種解釋備受爭議，畢竟它也只是一種猜想。

2018年，安妮塔信號這個奧秘變得更難解了。當時，安妮塔發現了從地面爆出的另一個大質量粒子信號。美國賓夕法尼亞大學科學家福克斯及其同事說，安妮塔根本不可能在這么短時間里看到兩次這類事件，因為他們的計算表明一個τ中微子在安妮塔任務期間兩次自由穿越地球的概率只有一百萬分之一。這樣一來，就不能用τ中微子來解釋安妮塔信號。

正因為安妮塔信號太難解，所以有些科學家甚至用已知物理學以外的知識來解釋它們。40多年來，粒子物理一直被標準模型主導。所謂標準模型，是指一整套粒子和力，它們在解釋自然世界方面非常準確。但每當像安妮塔發現奇怪信號的時候，科學家經常會打破常規。例如，西班牙巴塞羅那大學的伊斯特本教授指出，安妮塔觀測到的奇怪粒子可能是軸子。科學家在20世紀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相互作用中CP是守恒的（即強CP問題），安妮塔信號可能是由在與地球磁場作用時轉變為光子的軸子產生的。

超對稱（示意圖）。

福克斯及其同事則用超對稱理論來解釋安妮塔信號。超對稱理論是對標準模型的大大延伸。按照該理論，每一種已知的基本粒子都有一個通常質量更大的孿生粒子。福克斯等人相信，穿越地球、產生安妮塔信號的粒子是超對稱τ中微子。但問題是，旨在探測超對稱粒子的其他實驗裝置（例如位于瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機）根本就沒有探測到這樣的粒子。因此，許多物理學家不認可對安妮塔信號的超對稱解釋。

一種驚人的解釋

在加拿大圓周理論物理研究所科學家圖洛克看來，所有前述解釋都太過復雜。他相信，要想解釋安妮塔信號，無須發明一系列假想粒子，而只需通過研究已知的東西就行。許多人認為，粒子物理學已從最簡潔變成了最復雜的預測理論。但圖洛克不這么看。

可能正是圖洛克 “對事物進行簡單解釋”的偏好，讓他對安妮塔信號提出了一種非凡的解釋。圖洛克起初關注的對象與南極冰完全無關，而是宇宙大爆炸的最直接后果。要想研究這一時期，指南資料不多，其中一種理論是對稱——在某些改變下，物理學法則保持不變。

我們用簡寫指代這些對稱。例如，C對稱代表電荷共軛對稱性，是指把一個粒子的電荷用該粒子的反物質電荷替換后不會影響粒子的基本行為。P對稱代表奇偶變換對稱性，是指一種情景下的物理學和該情景的鏡像情景下的物理學相同。T對稱代表時間反轉對稱性，是指時光倒流之下的過程并不違反任何物理學法則。

安妮塔氣球升空，掃描南極。

涉及基本粒子的幾種過程已知會違反C、P和T對稱中的一種，也就是有偏離，但如果也違反另外兩種就能糾偏。如此看來，從整體上說，CPT對稱永遠不能打破。圖洛克說，自然界萬事萬物都不能避開CPT對稱。

2018年，圖洛克及其同事開始探索這樣一個課題：如果CPT對稱在宇宙最早時期存在，那么在今天CPT對稱意味著什么？他們發現自己的計算結果對大爆炸噴射出的粒子類型和數量有嚴格限制。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解釋安妮塔信號背道而馳。但物理學界普遍相信，右旋中微子對于平衡已知的中微子——左旋中微子（以其旋轉方向而得名）質量來說是必要的。CPT對稱要求存在足量的右旋中微子，而圖洛克及其同事發現，如果他們把一個右旋中微子的質量定得正好合適，那么就能匹配宇宙中最難以琢磨的物質——暗物質的質量。物理學家幾十年來一直在尋找暗物質，但沒有找到。圖洛克等人不敢相信，右旋中微子竟然是暗物質的最佳候選對象——圖洛克等人算出的右旋中微子質量恰好匹配產生安妮塔信號的粒子質量！當然，圖洛克等人當時并不知道這個巧合。

一個驚人的巧合

美國紐約城市大學理論物理學家路易斯及其同事最先指出這個巧合。他們提出，數百萬乃至上千萬年來，宇宙中彌漫的右旋中微子一直在被地球磁場俘獲，此后一直待在地球內部。他們還猜測，這些暗物質粒子有時會衰減成希格斯玻色子和τ中微子對，因而產生安妮塔信號。路易斯說，圖洛克團隊預測到的正是安妮塔信號能量，這簡直太驚人。畢竟，這是一個具體的量化預測，而且它被實驗結果支持，這在粒子物理學中實屬罕見。

但如果安妮塔信號粒子真的是右旋中微子，真的是暗物質粒子，那么對于解釋我們所知的宇宙來說就有麻煩。CPT對稱的一個直接推論是，在大爆炸剛剛發生后的宇宙（即我們的宇宙）中有相同數量的物質和反物質。但這兩者不能和平共處，而是立即互相湮滅，只留下能量。事實卻是，今天宇宙中的物質數量大大超過反物質數量。這讓許多宇宙學家認為，宇宙并不總是符合CPT對稱。為了克制這種質疑，圖洛克團隊需要回答這樣一個大問題：我們的宇宙究竟怎樣存在？

答案在于CPT對稱自身，而且答案很讓人費解。為了理解這個答案，需要考慮我們已知的最基本粒子過程之一：在一個強電場存在之下，電子及其反物質形式——正電子的產生。然而，為了嚴格遵循CPT對稱，還需以另一種方式來看待“我們的宇宙究竟怎樣存在”這個問題的答案：在電場產生以前正電子是時光倒流的電子，電場產生后電子才不再時光倒流。盡管聽起來很怪異，但前述兩種方式的考慮應該是完全等價的，無法查明其中哪一種“正確”。

圖洛克對安妮塔信號提出的解釋之所以非凡，就在于要求類似的情況也發生于我們所在的宇宙中。有關大爆炸的傳統觀點是：在大爆炸那個時刻產生的是一個單一的宇宙，而且這個宇宙中幾乎不存在反物質。而為了不違反CPT對稱，大爆炸就必須產生兩個平行的宇宙，大部分物質進入其中一個宇宙（即我們的宇宙），大部分反物質則進入另一個宇宙。在這另一個宇宙中，一切都與我們宇宙中的上下顛倒，前后相反。另一個宇宙中的所有恒星和行星都由反物質而非物質構成。而驚人的是，這個反宇宙在時間上向后朝著大爆炸時點收縮，而不是離開大爆炸時點向前膨脹。

安妮塔團隊在工作。

期待驚人的發現

至少，從我們的視角看去反宇宙就是這樣。正如CPT對稱規定一個在時間上向前行的正電子等同于一個在時間上向后退的電子，我們的宇宙也等同于在我們看來一切都與我們的相反的反宇宙。對于反宇宙中的居民來說，我們的宇宙才上下顛倒，向后退行，充滿“錯誤”。實際上，我們不可能知道自己是居住在“正宇宙”還是居住在“反宇宙”，只知道另一個宇宙在我們眼中看來是反宇宙。從宇宙意義上講，時間并不是由某個外部觀察者強加的箭頭，而更像是一個個人風向標，指向這個人所在宇宙的膨脹方向。總之，時間可向前也可向后，至于定義時間向前還是向后，要看這個人所在的宇宙。在一個宇宙中，另一個平行宇宙——鏡像宇宙就是反宇宙，反之亦然。

這個觀點與現有的宇宙學觀點差之千里。圖洛克最先承認自己的這個“前衛”觀點還有一些漏洞需要堵住。但他相信，他和與他在這方面觀點一致的其他人無須引入新粒子就能堵住這些漏洞。一旦漏洞被堵住，那么他們的觀點就肯定比這方面的其他觀點更好。

對于圖洛克等人的觀點，的確有一個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預測的右旋中微子，那么其他中微子觀測臺也應該捕捉到它。然而，到了2019年末，與安妮塔相鄰的冰立方實驗（它持續觀測由穿越1立方千米南極冰的中微子衰變產物產生的閃光）團隊宣布，他們沒有發現來自安妮塔團隊所聲稱信號方向的任何高能中微子。

但這并非是對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被誤認為是低能量μ中微子的軌跡。這一說法尚存爭議，但它也暗示：安妮塔和冰立方團隊可能都發現了有可能表明平行宇宙存在的證據。

還有其他多條途徑支持反宇宙觀點（也稱反宇宙理論）。該理論預測大爆炸應該不會產生原始引力波（宇宙學家一直在尋找卻未能找到的時空上的漣漪）。該理論還預測三種中微子中最輕的一種實際上沒有質量。圖洛克相信，這一點將在5～10年內被證實。但如果這些預測最終被推翻，那么反宇宙理論也將崩潰。雖然有些擔心，但圖洛克還是對自己的這一理論算得上信心滿滿。

與此同時，科學家關注的焦點再次回到南極洲。他們希望捕捉到從地下爆發出來的更多大質量粒子。自從安妮塔第四次軟著陸以來已經過去了3年時間，而對它的探測數據的分析仍在進行中。戈漢姆不愿意評說分析內容。他只是說：“我們不知道該怎樣描述它（指安妮塔的探測結果），但我們發現了一些東西。”

冰立方實驗檢測奇異粒子（示意圖）。