APP下载

欢迎来到真实的 镜像世界(下)

2020-11-20

奇闻怪事 2020年9期
关键词:暗物质中子质子

一个与我们的宇宙一模一样的宇宙可能就在我们身边。

镜像世界真实存在?

但鲜为人知的是,李和杨也曾提出过另一个相当疯狂的解释。他们认为,宇称之所以看起来不守恒,只是因为我们仅看了我们宇宙的情况;倘若存在另一个隐藏起来的宇宙,在那里,宇称在相反的方向也是不守恒的,那么把两个宇宙合起来考虑,宇称总体上还是守恒的。

打个比方。有一口碗,碗上有几个分布不规则的缺口,就这口碗自身而言,左右对称性“破缺”了。但是,倘若让它对着一面镜子,把碗和它在镜中的像都当作一个系统处理,那么左右对称性依然是保持的。这个解释的前提是,镜像世界跟我们的世界一样真实。

这个存在真实的镜像世界的想法当时并不受欢迎,所以李和杨很快就放弃了。但在粒子物理学面临着许多难题的今天,一些人又开始重拾这种观点。他们说,事实上我们或许已经从中子的行为中窥探到镜像世界存在的迹象。

中子是组成原子核的基本粒子之一。它在原子核内是稳定的,但在核外,即所谓的自由中子,就不稳定了,将衰变为电子和质子(这叫β衰变)。几十年来,物理学家一直在努力弄清楚自由中子在衰变前究竟能存在多长时间,但得到的结果是相互矛盾的。

测量自由中子寿命的方法大致有两种:一种是用“磁陷阱”捕捉的方法,一种是用中子束的办法。陷阱捕捉的方法相当简单:你用一个弱磁场将一群中子聚集到一口“陷阱”中,让它们在里面衰变,过一阵子再去数剩下的中子数。根据这种方法,中子的平均寿命为14分39秒。

第二种办法则是从核反应堆中引出中子束,测量它产生的质子数。质子带电,更容易测量。一个中子衰变产生一个质子。用该方法测量,得到的中子寿命为14分48秒。

两种办法测得的寿命差为9秒钟。起初,物理学家将其归结为实验误差。但是,随着测量技术的提高,现在测量误差越来越小了,可这两个数值并没有趋于一致。中子似乎有两个寿命。

一些物理学家认为,镜像世界如果存在的话,可能是出现上述问题的罪魁祸首。他们提出一种猜想:中子或许在两个世界之间来回振荡。中子一生中只有部分时间逗留在我们的宇宙,剩余时间是在“平行”(因为就在我们身边)的镜像世界中度过的,在那里它们发射的任何质子都不会被我们发现。

他们计算了一下:如果100个中子中有1个在衰变成质子之前“切换”到镜像世界中去了,就可以解释为何用“磁陷阱”的办法测量到的中子寿命较短。因为这个中子隐身于镜像世界之后,我们就测不到它了。这就是说,当我们测到只剩50个中子时,它实际上只有49个中子衰变了,这自然比50个中子衰变所需要的时间要短。

暗物质藏身在镜像世界中?

鏡像宇宙甚至可以为暗物质提供一个藏身之地,并解释为什么暗物质这么很难找。 当你了解到镜像世界中可能会藏有多少暗物质时,这个猜测似乎更有吸引力。

为了与早期宇宙演化的模型相一致,需要假设镜像世界的部分比我们自己的宇宙要冷得多。如果把我们的宇宙和镜像宇宙想象成热水和冷水,那么这种温差将使我们世界中的粒子更容易穿越到镜像宇宙中,从我们的宇宙中消失。我们的宇宙中物质在减少,而镜像世界中的物质在增加。有一个镜像世界模型预测,我们世界中每1个普通粒子对应镜像世界中的5个粒子——这正好和普通物质与测量得到的暗物质之比1∶5相符。

在我们这个世界里,剩下的粒子形成恒星、行星,最终形成人类,我们似乎也有理由期待这个演化过程在镜像世界中发生。那里有镜像恒星、镜像行星,甚至镜像人类。因为我们说暗物质“暗”,只是它们跟我们世界里的物质关系“冷淡”(除了引力,没有其他相互作用),至于它们自己,关系则“热络”着呢,说不定也有镜像电磁力、镜像核力等。我们世界中的普通物质,在镜像世界看来,倒成了“暗物质”。谁知道呢,甚至可能镜像人类正在试图搞明白为什么他们宇宙中的“物质”与“看不见的物质”之比是5∶1呢。

寄希望于中子实验

这是一个大胆的猜测,但要找到确凿的证据并非易事。困难在于,镜像世界与我们的世界,除了引力,不发生别的相互作用,电磁力、强弱核力统统没有,而引力又太弱了,无法进行实验。

这就又回到了前面的话题,答案可能在于对中子寿命进行更好的测量。2012年,一篇论文声称:因为地球引力,地球自转会把少量镜像物质拖着走;携带电荷的镜像粒子(比如镜像电子)的运动会产生镜像磁场;处于普通磁场中的中子(如“磁陷阱”中的中子),受到镜像磁场的影响,切换到镜像世界的概率会增加。

这个想法引起了实验家的兴趣。他们使用一种更灵敏的仪器来测试镜像磁场是否会影响“磁陷阱”中的中子寿命。实验还包括对“磁陷阱”施加不同强度的磁场,看看是否影响中子的寿命。目前实验已完成,数据正在分析之中。

另一个实验正在美国橡树岭国家实验室紧锣密鼓地筹备。其背后的想法相当简单:往一堵墙上发射一束中子,墙足够厚,而且中子会被墙上的特殊物质吸收,无法穿透。因此一般情况下,在墙另一侧的中子探测器是探测不到中子的。但倘若中子在行进过程中,“切换”到了镜像世界,摇身变成镜像中子——对于镜像中子来说,这堵墙是不存在的。然后,过了墙,它又“切换”回我们的世界,变成普通中子,那么墙另一侧的中子探测器就可能探测到中子。

万一这些实验压根儿没找到镜像世界存在的蛛丝马迹呢?估计,理论家们也不会轻易放弃这个猜想。毕竟,“镜子”太重要了,他们已经把很多赌注押在它身上。

(完)

猜你喜欢

暗物质中子质子
质子束放疗在肿瘤中的研究新进展
暗能量VS暗物质(下)
3D打印抗中子辐照钢研究取得新进展
浅谈质子守恒
什么是暗物质
DORT 程序进行RPV 中子注量率计算的可靠性验证
扑朔迷离的暗物质
“质子”号一箭发双星
中子深度定量分析的相对分析法
盐溶液中“质子守恒式”的三维思析