制圖：Patryk Hardziej

來歷：舉世科學

撰文 | 邁克爾·布魯克斯（Michael Brooks）

在某個不為人所知的區域，有一個與咱們國際徹底鏡像的平行國際存在？為了驗證這個看上去張狂的假說，試驗物理學家現已開端了舉動。如能證明鏡像國際的存在，暗物質謎題也或許方便的解決。

第一眼看上去，一切都很熟悉。墻上的掛鐘滴滴答答地走著，轎車從窗外呼嘯而過，你閱覽的故事書上有引人入勝的插圖。可是，有點不對勁：掛鐘在逆著走，轎車在道路上逆行，你看的故事也是從后往前寫的。突然間你意識到：本來你在看的是自己的鏡像。

這個鏡子另一端的乖僻國際在你看來或許十分不真實。而利婭·布魯薩爾（Leah Broussard）以為，一個一切都翻轉過來的平行國際很有或許存在。她與其他田納西橡樹嶺國家試驗室的搭檔們一同，盡力尋覓與咱們的國際呈鏡像翻轉的國際。那里有鏡像的原子、鏡像的分子、鏡像的恒星與行星，乃至鏡像的生命。

在曩昔幾十年中，不斷有誘人的頭緒提示著這樣一個國際的存在。現在，總算有試驗預備驗證這一理論了。假如鏡像國際存在，它不僅可以改動咱們對實際的認知，更將回答在曩昔幾十年中，科學家們關于國際的疑問。“這背面的含義會十分令人震驚。”布魯薩爾說。

鏡子對面的隱秘國際

在此之前，科學家就曾發現過“新國際”。1928年，保羅·狄拉克（Paul Dirac）發現，量子力學的公式中或許躲藏著曾經從未觀測過的粒子。他提出，國際中存在著另一組微觀粒子，它們能組成與咱們熟知的微觀粒子徹底相同，但電荷相反的粒子。這個躲藏的反物質國際使咱們已知的微觀粒子數量又添加了一倍。

但這還沒完。1933年，瑞士天文學家弗里茨·茲維基（Fritz Zwicky）發現，星系團的旋轉特征標明，它們之間遭到的引力作用力比其可觀測質量所能發作的力要大得多。

70年代，美國的天文學家維拉·魯賓（Vera Rubin）也在星系團中發現了這個現象。現在，咱們以為每個星系中都存在暗物質，其與可見物質的份額大概是5：1。可是，雖然以各種方式搜索多年，咱們從來沒有直接找到過這種物質。

反物質與暗物質現已進入干流科學研討范疇。但或許，那個奧秘的新國際現已在暗處躲藏了60多年，等候著咱們發現。1956年，李政道與楊振寧發現了宇稱不守恒。在此之前，科學家一向假定一切的物理進程都會遵從必定的對稱準則。這意味著，物理規則在某種變換下會堅持不變。

在粒子物理界的對稱叫做宇稱。宇稱守恒規則了，當粒子的一切方位和方向都鏡像翻轉時，粒子的性質仍舊堅持不變。李政道與楊振寧提出了一個試驗，來查驗宇稱不守恒的存在。華裔物理學家吳健雄完成了這個試驗，并證明宇稱不守恒確實存在。這個要害的發現使李政道和楊振寧獲得了下一年的諾貝爾物理學獎。

關于宇稱不守恒，李政道與楊振寧給出一個有點乖僻的解說。他們提出，宇稱實際上是守恒的。咱們之所以觀測到不守恒，是因為咱們只看到了完好畫面的一半。“他們以為，在咱們的國際中觀測到這些粒子的宇稱不守恒，是因為在其他當地存在相反的粒子（反粒子），也顯現出相同的宇稱不守恒性，”意大利拉奎拉大學的祖拉布·別列吉阿尼（Zurab Berezhiani）說，“因而，總的來講宇稱仍是守恒的。”

這個“鏡像物質國際”的觀念在其時并沒有得到認可，且還需要面臨許多根本粒子物理的扎手問題。而現在，像布魯薩爾和別列吉阿尼這樣的研討者開端從頭審視這個觀念。別列吉阿尼說，實際上，或許咱們好久前就現已觀察到“鏡像國際”存在的痕跡了。

最顯著的是，咱們可以經過中子的行為來窺見別的一個國際的痕跡。原子核外的中子（自在中子）會經過β衰變構成電子與質子。幾十年來，咱們一向在盡力測驗丈量出自在中子的衰變時刻，而得到的效果卻總是無法共同。

大致來講，丈量自在中子的衰變時刻有兩種辦法——“瓶”辦法與“束”辦法。瓶試驗十分直觀：運用弱小磁場將一堆中子收束在瓶狀勢阱中，然后靜靜等候。一段時刻后，計算勢阱中還剩多少中子。依據這種辦法，中子在衰變前可以存活的均勻時刻是14分鐘39秒。

而束試驗計算的則是一個核反應堆中，一束中子射線中呈現的質子數。這種情況下，質子只能作為中子衰變的產品呈現。這種辦法丈量出的中子均勻壽命是14分鐘48秒。而問題是，“這兩個效果應該是相同的。”別列吉阿尼說。

最開端，物理學家們以為那多出來的9秒鐘僅僅試驗差錯罷了。但當咱們不斷改進試驗設備，加強試驗精確度之后，效果卻愈加顯著。依據這兩項試驗，好像有兩個不同的中子衰變周期。

假如鏡像國際真的存在，那么它就應該是形成試驗效果差異的原因。這個模型的關鍵是，中子會在兩個國際之間來回振動，別列吉阿尼解說說：“當中子穿過磁場時，振動的或許性添加了。”這是個令人驚掉下巴的推論。中子僅僅暫時“借住”在咱們這個國際，余下的時刻中它處于實際鏡面的另一側，放射出的質子咱們也無法勘探到。

假如在一百個中子中，有一個恰巧在釋放出質子之前穿越到另一端的對稱國際，那么咱們就勘探不到它釋放出的質子。這就解說了為什么射線試驗中中子的衰變時刻要長一些。

尋覓鏡像中子

鏡像理論可以解說的東西還有許多。“許多謎題都可以自可是然地用相同的模型和參數解說。”圣母大學的譚萬鵬（音）說。鏡像國際的模型乃至可以為暗物質的存在以及它難以被發現的原因供給一個合理的解說。“鏡像中子好像是暗物質粒子的一種合理的解說，”馬里蘭大學的理論物理學家拉賓德拉·莫哈帕特拉說，“這很有說服力。”

當你了解了應該存在的鏡像粒子的品種有多少之后，你會覺得這個理論愈加有說服力。為了與前期國際演化模型堅持共同，國際鏡像部分的溫度應該比咱們的國際更低。假如熱量太高，那么鏡像粒子就可以更簡略地穿過邊界，添加咱們這個國際的引力并改動國際演化的途徑。這種溫度差會使粒子更簡略穿過鏡面，在不同的鏡像國際之間來回。解說最齊備的鏡像理論以為，每個粒子對應五個鏡像粒子，正好與咱們觀測到的暗物質與可見物質的份額符合。

不僅如此，因為這些根本粒子組成了恒星、行星以及人類，咱們可以合理置疑，在其他國際中也存在鏡像的生命，或是其他咱們無法幻想的東西。“在鏡像國際里，工作發作的幾率是咱們國際的5倍。”別列吉阿尼說。誰知道呢，說不定現在就有某個鏡像人類在企圖研討，為什么他們那個國際的暗物質比可見物質還要多五倍。

理論很好，但尋覓相應的證明卻好不容易。在國際的四種根本力——電磁力、強彼此作用力、弱彼此作用力與引力中，“國際的鏡像部分只能經過引力與咱們彼此作用，而引力關于試驗來說又太弱了。”田納西大學研討鏡像物質的科學家尤里·卡米什科夫（Yuri Kamyshkov）說。

答案或許躲藏在更精細的中子衰變試驗里。2012年，別列吉阿尼宣布了一篇論文，論述了瓶試驗捕捉到鏡像中子信號的或許性。他提出，一小部分鏡像物質被地球自轉帶到了咱們的國際。帶電的鏡像粒子（比方或鏡像電子）發作了一個鏡像的磁場，這會添加中子從咱們國際穿越出去的或許性。

這個主意讓瑞士保羅謝爾研討中心的克魯斯·基爾希（Klaus Kirch）等人很感愛好。他們用了愈加精細的儀器去檢測鏡像磁場影響中子衰變的或許性。

基爾希以為這個主意有點勉強，但研討起來十分風趣。他說：“我不太信任可以勘探到鏡像中子的信號，所以咱們規劃了試驗去證偽，然后看看效果怎么。”試驗內容包含向儀器施加不同的磁場，然后看其能否影響勢阱里中子的數量。據基爾希說，試驗現在現已完成了，可是他的團隊還在剖析效果。

布魯薩爾則在抱著愛好張望。和其他橡樹嶺研討中心的搭檔們一道，她預備用愈加精細的試驗來檢測別列吉阿尼的觀念。

試驗的原理十分簡略：向一面中子無法穿透的厚墻發射中子束，假如在墻的另一邊勘探到了中子，就闡明有中子進入了鏡像國際，然后沒有被厚墻阻撓，并且在撞到勘探器之前又回到了咱們的國際。“只要那些進入了鏡像國際后又回來的中子才干被勘探到。”布魯薩爾說。

經過改動厚墻兩頭的磁場強度，布魯薩爾想看看她能不能找到適宜的磁場強度及形狀，然后添加穿過墻的中子數量。“假如我的數字是正確的，那么他們應該能觀察到一些現象。”別列吉阿尼說。

后續試驗

試驗儀器現已搭建好，整裝待發。布魯薩爾現在正在和橡樹嶺試驗中心的試驗人員洽談，商定一個適宜的時刻展開試驗。雖然她心境很激動，她卻并不等待第一次試驗就能完成打破——誰也不知道究竟多大的磁場可以有用地添加粒子穿越的或許性。“我以為，咱們一個中子都勘探不到。”她說。實際上，關于布魯薩爾，這次試驗的首要意圖便是盡量縮小或許的有用磁場強度的規模。

但假如基爾希團隊觀測到了與鏡像中子共同的信號，那么布魯薩爾和她的團隊就可以參閱基爾希的效果，以找到適宜的磁場強度。假如磁場的存在改動了勢阱內中子的數量，那么或許就可以證明，鏡像國際是存在的。

卡米什科夫現在正在與布魯薩爾協作。“雖然得到任何效果的或許性都很小，但這是一次簡略且并不貴重的試驗，”卡米什科夫說，“假如一場物理學革射中或許會發作好的效果，那么咱們有必要測驗。”

哪怕這些試驗真的證明的鏡像中子的存在，布魯薩爾說，咱們還需要許多作業去證明它和暗物質有關，以及找到通向其他鏡像區域的辦法。“我想說，這是一個很好的開端，但我以為前方還有許多應戰。”她說。

假如咱們沒有找到鏡像中子呢？布魯薩爾可以必定一件工作，便是鏡像理論并不會因而被扔掉。“理論物理學家一向很拿手逃避試驗物理學家給他們設下的圈套。”她說。但考慮到物理學家用現行理論無法解說的種種問題，你應該可以了解為什么他們要在鏡子中尋覓答案了。