科幻情节走入现实世界,存在一个与我们宇宙完

作者:海外看点

图片 1

图片 2

在科幻小说和影视文化里,网友们有一句吐槽非常生动形象:逻辑不通,平行时空;编不下去,量子战衣。就像灭霸打一个响指就能毁灭世界,重新loading进程一样,平行时空、量子不确定性,这些令人难以捉摸的科幻设定,让科幻故事主角拥有了“超能力”。

制图:Patryk Hardziej

可是你知道吗?平时严谨到一丝不苟的科学家们,被科学难题逼到百般无奈之时,也会祭出“平行时空”这样不那么靠谱的设定,希望能解释在前沿科学里困扰科学家们数十年的不解之谜。

在某个不为人所知的区域,有一个与我们宇宙完全镜像的平行宇宙存在?为了验证这个看上去疯狂的假说,实验物理学家已经开始了行动。如能证实镜像宇宙的存在,暗物质谜题也可能迎刃而解。

近日,据《新科学家》杂志(New Scientist)报道,田纳西州橡树岭国家实验室(橡树岭是人类历史上第一枚原子弹的诞生之地)的物理学家利娅 布鲁萨尔(Leah Broussard)和她的团队,试图在实验室里检测镜像平行宇宙是否存在,来解决在中子衰变研究领域已经存在了40年的一个难题。

撰文 | 迈克尔·布鲁克斯(Michael Brooks)

用科幻设定来解决科学问题,这究竟是怎么一回事儿呢?

翻译 | 王语嫣

什么是镜像平行宇宙

审校 | 吴非

其实,所谓科幻设定,本来就是用来进行科学发现。比如镜像平行宇宙,实际上涉及两个基础量子物理学概念,宇称,以及概率解释延伸出来的“平行时空”。

第一眼看上去,一切都很熟悉。墙上的钟表滴滴答答地走着,汽车从窗外呼啸而过,你阅读的故事书上有引人入胜的插图。然而,有点不对劲:钟表在逆着走,汽车在道路上逆行,你看的故事也是从后往前写的。突然间你意识到:原来你在看的是自己的镜像。

在我们生活里,可以看到很多简单镜像,也就是左右对称的图形。经典物理学领域,左右方向也是完全一致的,镜子里的世界跟镜子外的世界都可以完美地存在。但在量子力学领域里,这种对称性被杨振宁和李政道发现的“宇称不守恒”打破了,从而揭开了当时著名的“θ-τ之谜”,即在弱作用力(四种基础作用力之一)参与的核反应过程中,宇称是不守恒的。

这个镜子另一端的离奇世界在你看来或许非常不真实。而利娅·布鲁萨尔(Leah Broussard)认为,一个一切都翻转过来的平行宇宙很有可能存在。她与其他田纳西橡树岭国家实验室的同事们一起,努力寻找与我们的宇宙呈镜像翻转的宇宙。那里有镜像的原子、镜像的分子、镜像的恒星与行星,甚至镜像的生命。

不仅如此,杨、李还设计出了实验来证明这种不守恒导致的效应,华人科学家吴健雄女士很快做出了其中一个实验,从而证明杨、李的理论是对的,推翻了长期以来默认的“宇称守恒”,震惊了物理学界。——在量子力学里,镜子里面的世界,跟镜子外面的世界,竟然是不一样的。

在过去几十年中,不断有诱人的线索提示着这样一个世界的存在。现在,终于有实验准备验证这一理论了。如果镜像宇宙存在,它不仅能够改变我们对现实的认知,更将解答在过去几十年中,科学家们对于宇宙的疑惑。“这背后的意义会非常令人震惊。”布鲁萨尔说。

所以,杨振宁和李政道在1956年10月发表了论文,吴健雄随后给了实验验证,诺贝尔奖委员会立刻在1957年把诺贝尔奖颁给了当时只有35岁的杨振宁和31岁的李政道。

镜子对面的隐秘世界

至于平行宇宙,科幻迷已经很熟悉了。在量子的概率波解释里,关在箱子里那只可怜的“薛定谔的猫”,在被观测之前,既是死的,也是活的,是两种状态的叠加态。在被观测之后,把它理解变成只有一种状态,要么是死的,要么是活的。

在此之前,科学家就曾发现过“新世界”。1928年,保罗·狄拉克(Paul Dirac)发现,量子力学的公式中可能隐藏着以前从未观测过的粒子。他提出,宇宙中存在着另一组微观粒子,它们能组成与我们熟知的微观粒子完全一样,但电荷相反的粒子。这个隐藏的反物质世界使我们已知的微观粒子数量又增加了一倍。

那么,另一种状态哪里去了?有一种解释认为,另一种状态依然存在,是我们的宇宙发生了分裂,在平行时空里,那只猫变成了另一种状态。量子世界的这种变化和解释,跟我们生活经验、经典物理是完全不一致的。可量子世界的规律恰恰如此,对于这种“平行宇宙”解释,同意者无法证实,反对者也无法证伪。那就……随他去吧。看看,我们熟悉的科幻假定,竟然来自科学家最初的异想天开。

但这还没完。1933年,瑞士天文学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)发现,星系团的旋转特征表明,它们之间受到的引力作用力比其可观测质量所能产生的力要大得多。

图片 3

70年代,美国的天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)也在星系团中发现了这个现象。现在,我们认为每个星系中都存在暗物质,其与可见物质的比例大概是5:1。然而,尽管以各种方式搜寻多年,我们从来没有直接找到过这种物质。

中子衰变难题40年,逼出了“镜像平行宇宙实验”

反物质与暗物质已经进入主流科学研究领域。但或许,那个神秘的新世界已经在暗处隐藏了60多年,等待着我们发现。1956年,李政道与杨振宁发现了宇称不守恒。在此之前,科学家一直假设所有的物理过程都会遵循一定的对称原则。这意味着,物理规律在某种变换下会保持不变。

报道中的主角利娅 布鲁萨尔(Leah Broussard)在著名的橡树岭国家实验室研究中子物理。中子,就是几乎所有原子核里都存在的那种不带电的粒子。它有一种奇特的性质,在原子核里它性质很稳定,可以长期存在,虽然有时候也不老实,会发生衰变,从中子变成质子,顺便扔出来一个电子和一个中微子(让杨、李替华人拿到第一个诺贝尔奖的,就是这样一种核衰变)。

在粒子物理界的对称叫做宇称。宇称守恒规定了,当粒子的所有位置和方向都镜像翻转时,粒子的性质依旧保持不变。李政道与杨振宁提出了一个实验,来检验宇称不守恒的存在。华裔物理学家吴健雄完成了这个实验,并证明宇称不守恒的确存在。这个关键的发现使李政道和杨振宁获得了下一年的诺贝尔物理学奖。

可如果中子一旦获得了自由,它们立即进入衰老期,发生衰变,每过大约15分钟就会损失一半(这个时间叫做“半衰期”)。

对于宇称不守恒,李政道与杨振宁给出一个有点古怪的解释。他们提出,宇称实际上是守恒的。我们之所以观测到不守恒,是因为我们只看到了完整画面的一半。“他们认为,在我们的宇宙中观测到这些粒子的宇称不守恒,是因为在其他地方存在相反的粒子,也显现出同样的宇称不守恒性,”意大利拉奎拉大学的祖拉布·别列吉阿尼(Zurab Berezhiani)说,“因此,总的来讲宇称还是守恒的。”

问题就出在对自由中子“大约15分钟”的精确测量里。中子物理学家们有两种方法来测量它,一种方法是将它们隔离在一个“瓶子陷阱”中,让它安静地待着,自由衰变,过一定时间后在数一数剩余的数量;另一种方法是从核反应堆里取出一束奔跑的中子,在奔跑路线上设卡计数,数中子衰变之后产生的质子数。可这两种方式得到的半衰期结果总是大同小异——前者为14分39秒,后者为14分48秒。也就是说,大约900秒的时间,两个结果差了9秒钟。

这个“镜像物质世界”的观点在当时并没有得到认可,且还需要面对很多基本粒子物理的棘手问题。而现在,像布鲁萨尔和别列吉阿尼这样的研究者开始重新审视这个观点。别列吉阿尼说,实际上,或许我们很久前就已经观察到“镜像世界”存在的痕迹了。

无论是原子弹诞生地的科学家,还是其他国家的科学家们,无数次重复这两类实验,差异总是存在——不是哪个科学家粗心弄错了,或者是实验仪器的问题。40年来,中子物理学家们绞尽脑汁想弄清楚,究竟是哪里出了问题导致这种结果不一致——无论是牛顿还是爱因斯坦都向我们拍着胸脯保证过,无论是安静的、还是奔跑的粒子,它们的规律应该是一样的啊。

最明显的是,我们可以通过中子的行为来窥见另外一个世界的痕迹。原子核外的中子会通过β衰变形成电子与质子。几十年来,我们一直在努力尝试测量出自由中子的衰变时间,而得到的结果却总是无法统一。

就像在科幻故事里那样,面对在我们这个世界,按照严谨的科学逻辑打死都无法圆上的“情节”,橡树岭国家实验室的利娅 布鲁萨尔和同事们被迫祭出了科幻作家常用的法宝:平行时空,而且是镜像的。

大致来讲,测量自由中子的衰变时间有两种方法——“瓶”方法与“束”方法。瓶实验非常直观:使用微弱磁场将一堆中子收束在瓶状势阱中,然后静静等待。一段时间后,统计势阱中还剩多少中子。根据这种方法,中子在衰变前能够存活的平均时间是14分钟39秒。

这个解释就是,可能真的存在镜像平行宇宙,在奔跑的中子束里有1%的中子,拥有穿越到镜像平行宇宙的能力,它们也发生了衰变,只是不是在我们这个宇宙发生的,那些衰变出来的质子就丢了,观测结果就“显得”半衰期长了一些。(这个猜想,是在2012年一篇论文里提到的。)

而束实验统计的则是一个核反应堆中,一束中子射线中出现的质子数。这种情况下,质子只能作为中子衰变的产物出现。这种方法测量出的中子平均寿命是14分钟48秒。而问题是,“这两个结果应该是一样的。”别列吉阿尼说。

实验尚未展开,结果并不乐观

最开始,物理学家们认为那多出来的9秒钟只是实验误差而已。但当我们不断改进实验设备,加强实验精确度之后,结果却愈加明显。根据这两项实验,似乎有两个不同的中子衰变周期。

怎么证明“中子穿越到了镜像平行宇宙”呢?布鲁萨尔的实验设计看起来有些“异想天开”:她设想的是让中子重新穿越回来。为此,要设置一堵厚墙,这堵墙是我们这个宇宙里的中子无论如何无法穿透的。

如果镜像世界真的存在,那么它就应该是造成实验结果差异的原因。这个模型的要点是,中子会在两个世界之间来回振荡,别列吉阿尼解释说:“当中子穿过磁场时,振荡的可能性增加了。”这是个令人惊掉下巴的推论。中子只是暂时“借住”在我们这个宇宙,余下的时间中它处于现实镜面的另一侧,放射出的质子我们也无法探测到。

可按照“镜像平行宇宙”假设,那一束奔跑的中子束里,有些中子无须陷在墙里,在其他中子迎头撞墙,陷落在墙里的时候,它们到另一个宇宙去逛了一圈,相当于绕过了墙,然后穿越回来,出现在了墙后面。

如果在一百个中子中,有一个恰巧在释放出质子之前穿越到另一端的对称世界,那么我们就探测不到它释放出的质子。这就解释了为什么射线实验中中子的衰变时间要长一些。

所以,科学家们的想法是在墙后面设置探测装置,抓住这些利用镜像平行宇宙成功翻墙的“狡猾”中子。这样一来,两种测量中子半衰期的实验就可以获得一致结果了。

图片 4

不过目前来说,做出任何评价都还为时过早。因为这个实验设想虽然完成了,何时开展还需要等待另一个前期实验的结果分析。而主持那个实验、还在分析数据的科学家说:“尽管得到任何成果的可能性都很小,但这是一次简单且并不昂贵的实验,如果一场物理学革命中可能会产生好的结果,那么我们必须尝试。”

寻找镜像中子

听听,取得成功的“可能性很小”,那么为什么还要做这些实验呢?因为“简单且并不昂贵”。也就是说,因为中子物理学家们对这个问题已经探索了40年,结果绝望地发现,其似乎在我们这个宇宙里根本找不到答案,所以,那些带有科幻色彩的想法就进入了科学家们的视野。又因为成本实在便宜,这样脑洞大开的设想才可能被付诸实施。

镜像理论能够解释的东西还有很多。“很多谜题都可以自然而然地用同样的模型和参数解释。”圣母大学的谭万鹏说。镜像宇宙的模型甚至能够为暗物质的存在以及它难以被发现的原因提供一个合理的解释。“镜像中子似乎是暗物质粒子的一种合理的解释,”马里兰大学的理论物理学家拉宾德拉·莫哈帕特拉说,“这很有说服力。”

也就是说,它可能是一次改变科学进程的伟大实验,但概率实在太小,更可能是若干年后我们开科学家们的玩笑才会想起来的趣闻而已。

当你了解了应该存在的镜像粒子的种类有多少之后,你会觉得这个理论更加有说服力。为了与早期宇宙演化模型保持一致,宇宙镜像部分的温度应该比我们的宇宙更低。如果热量太高,那么镜像粒子就可以更容易地穿过界限,增加我们这个宇宙的引力并改变宇宙演化的路径。这种温度差会使粒子更容易穿过镜面,在不同的镜像宇宙之间来回。解释最完备的镜像理论认为,每个粒子对应五个镜像粒子,正好与我们观测到的暗物质与可见物质的比例吻合。

如何理解科学家检验“科幻设定”

不仅如此,由于这些基本粒子组成了恒星、行星以及人类,我们可以合理怀疑,在其他宇宙中也存在镜像的生命,或是其他我们无法想象的东西。“在镜像宇宙里,事件发生的几率是我们宇宙的5倍。”别列吉阿尼说。谁知道呢,说不定现在就有某个镜像人类在试图研究,为什么他们那个宇宙的暗物质比可见物质还要多五倍。

爱因斯坦在他的科普著作《物理学的进化》里,曾把科学研究比作一个侦探在破案。但是,跟一般侦探小说不一样的是,科学家们不可能先翻到结尾去看最后答案。在破案过程当中,没有任何人能够事先知道最终答案是什么,什么时候才会出现。甚至更为尴尬的是,像霍金这样的科学家还认为,我们未必能够有最终答案。

理论很好,但寻找相应的证明却十分困难。在宇宙的四种基本力——电磁力、强相互作用力、弱相互作用力与引力中,“宇宙的镜像部分只能通过引力与我们相互作用,而引力对于实验来说又太弱了。”田纳西大学研究镜像物质的科学家尤里·卡米什科夫(Yuri Kamyshkov)说。

然而,在一个所有人都束手无策的科学难题上,科学家们不会拒绝任何的可能性,哪怕是“镜像平行时空”这样连设计者都未必真正相信的解释。但是,科学家们也不会停留在科幻设想上,要想承认或者否定,就必须寻找能够说明问题的实验证据。

答案或许隐藏在更精密的中子衰变实验里。2012年,别列吉阿尼发表了一篇论文,阐述了瓶实验捕捉到镜像中子信号的可能性。他提出,一小部分镜像物质被地球自转带到了我们的宇宙。带电的镜像粒子产生了一个镜像的磁场,这会增加中子从我们宇宙穿越出去的可能性。

实际上,这个事也可以帮我们理解,科学里面的理论解释和实验验证之间的关系。在现代科学里,科学实验是为了检验某种科学理论猜想。也就是说,任何科学实验在执行之前,都必须要有足够的依据说明,它才是有价值的。像这样的镜像平行时空的假设,从理论上而言,是并不太靠谱的,但是这个实验设计有一个好处,就是他的成本非常低,技术都是现成的,所以这个实验才得以顺利地进入到实施阶段。

这个想法让瑞士保罗谢尔研究中心的克鲁斯·基尔希(Klaus Kirch)等人很感兴趣。他们用了更加精密的仪器去检测镜像磁场影响中子衰变的可能性。

另一个启发是,科学实验设计的结论必须是开放的,任何一位科学家都必须要接受科学实验所给出来的任何可能的结果:证实或者证伪。如果这个实验在“不可能穿透的墙”后面真的探测到了中子信号,那么,想必物理学家们会大吃一惊,会有更多的同类实验进行检验,也会有大批理论学者们对平行时空假设进行热烈的探讨,掀起一场物理学新革命。

基尔希认为这个想法有点牵强,但研究起来非常有趣。他说:“我不太相信能够探测到镜像中子的信号,所以我们设计了实验去证伪,然后看看结果如何。”实验内容包括向仪器施加不同的磁场,然后看其能否影响势阱里中子的数量。据基尔希说,实验现在已经完成了,但是他的团队还在分析结果。

当然还有一种可能性,也就是连设计者都认为的,就是这个实验并没有探测到任何中子信号。也就是说,至少这个实验会降低“镜像平行时空”这个假设存在的可能性——以后的科幻作家用起这个概念也会更谨慎吧?

布鲁萨尔则在抱着兴趣观望。和其他橡树岭研究中心的同事们一道,她准备用更加精密的实验来检测别列吉阿尼的观点。

当然,这种双重可能性恰恰是科学实验最具有魅力的地方。对于很多世界著名的大科学装置——比如,欧洲核子中心的大型强子对撞机,一些科学评论写道,如果它能够按照理论预期,做出一些科学发现,我们可以欢呼,这是现代物理学的伟大胜利。

实验的原理非常简单:向一面中子无法穿透的厚墙发射中子束,如果在墙的另一边探测到了中子,就说明有中子进入了镜像宇宙,从而没有被厚墙阻挡,而且在撞到探测器之前又回到了我们的宇宙。“只有那些进入了镜像宇宙后又回来的中子才能被探测到。”布鲁萨尔说。

但是,科学家们内心深处,可能更期待它们给出不一样的结果。这会让科学家们更为兴奋,因为这意味着实验指出了现在的科学物理模型存在的问题和缺陷,迫使物理学家们超越它,在更深层次上对现代物理进行革命。

通过改变厚墙两边的磁场强度,布鲁萨尔想看看她能不能找到合适的磁场强度及形状,从而增加穿过墙的中子数量。“如果我的数字是正确的,那么他们应该能观察到一些现象。”别列吉阿尼说。

但是,未来的答案究竟在什么方向?连最前沿的物理学家们也并不知道,所以人人欢迎哪怕是最神奇的想法。当然“谁主张谁举证”,提出想法的人必须像这位科学家一样,提出最好比较成本比较低的检验方案。我们也必须承认,最终答案在哪里,我们依然不知道。也可能在多少年之后,人们回过头来看历史,发现即便是现在科学家们最狂野的想象,也显得过于保守了。

后续实验

实验仪器已经搭建好,整装待发。布鲁萨尔现在正在和橡树岭实验中心的实验人员协商,商定一个合适的时间开展实验。尽管她心情很激动,她却并不期待第一次实验就能实现突破——谁也不知道到底多大的磁场能够有效地增加粒子穿越的可能性。“我认为,我们一个中子都探测不到。”她说。实际上,对于布鲁萨尔,这次实验的主要目的就是尽量缩小可能的有效磁场强度的范围。

但如果基尔希团队观测到了与镜像中子一致的信号,那么布鲁萨尔和她的团队就可以参考基尔希的结果,以找到合适的磁场强度。如果磁场的存在改变了势阱内中子的数量,那么或许就能够证明,镜像宇宙是存在的。

卡米什科夫现在正在与布鲁萨尔合作。“尽管得到任何成果的可能性都很小,但这是一次简单且并不昂贵的实验,”卡米什科夫说,“如果一场物理学革命中可能会产生好的结果,那么我们必须尝试。”

哪怕这些实验真的证明的镜像中子的存在,布鲁萨尔说,我们还需要很多工作去证明它和暗物质有关,以及找到通向其他镜像区域的方法。“我想说,这是一个很好的开始,但我认为前方还有很多挑战。”她说。

如果我们没有找到镜像中子呢?布鲁萨尔可以肯定一件事情,就是镜像理论并不会因此被抛弃。“理论物理学家一直很擅长躲避实验物理学家给他们设下的陷阱。”她说。但考虑到物理学家用现行理论无法解释的种种问题,你应该能够理解为什么他们要在镜子中寻找答案了。

相关论文:

Magnetic anomaly in UCN trapping: signal for neutron oscillations to parallel world?,

本文由奥门金沙手机娱乐网址发布,转载请注明来源

关键词: