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“宇宙大爆炸”模拟实验:探索镜像宇宙的奥秘

2020/6/24 4:15:23 来源:原创 浏览:

全文共2893字,预计学习时长9分钟


图源:pexels


先来看一个很简单的模拟实验:


1000个粒子在屏幕上运动,它们处于一个遵循牛顿物理学相关定律的数字世界。这些粒子以其最高复杂度分开分布,仿佛在探索人造世界的边界,也许希望能找到其中的一个锐利边缘。它们在重力作用下相互作用,一些粒子将聚集成为人们熟知的星团,它们与星系或恒星类似。


这一实验模拟了宇宙;宏伟复杂的天体被缩小为屏幕上平坦光滑的点。这些点以其最低复杂度结合在一起,形成一个十分拥挤的区域,这与宇宙早期惊人的密集状态很相似。


两个相同世界诞生的一瞬间 | 图源:美国国家航空航天局


对宇宙大爆炸的模拟最为有趣:粒子聚集于一个拥挤的中心点,然后它们沿着两条分开的路径向外移动。它们会漂浮起来,聚集成行星系统和星系的形状。屏幕上的这些点代表的虽然是现实世界的最初阶段,但也足以激动人心。


按照我们一贯的看法,现实世界中可没有两条路径。然而真的如此吗?


图源:美国橡树岭国家实验室


这是橡树岭的某个核反应堆。有人想打开通往镜像世界的“大门”。近年来,一些实验试图向镜像世界发送粒子并让它们返回,以此来探测该世界,比如美国橡树岭国实验室的利亚·布鲁萨进行的实验。


该实验用到了一束粒子,它沿着带有强磁体的长隧道行进。粒子通过磁体,流向一堵厚墙。正常情况下,该厚墙不会让任何粒子通过。如果确实有粒子通过,那么就可能意味着它们变为了镜像状态,并再次返回。


模拟宇宙大爆炸呈现出的两条不同路径意味着两个独立的宇宙已经形成,它们彼此互为镜像。该实验本身就是为了更好地理解时间之箭。


人们的生活为什么只向一个方向发展,而不向另一个方向展开?事件发生后,人们才创造出和其有关的珍贵记忆,而并不是先有记忆然后见证事件的发生。


时间之箭一直是物理学领域的一个谜。相对论或电动力学等最为著名的定律都没有任何偏向。它们不在乎也不规定时间的流向。


到目前为止,对该现象最为流行的解释是熵。时间不断向前发展,因为热力学第二定律要求宇宙一直处于越来越混乱的状态。这种混乱状态被称为熵。


但这正是前文实验中的1000点模拟所要挑战的。在该实验中,物理学家们并没有依赖微调参数和熵,他们仅通过重力就能让人们感知到时间的流向。


但这也表明人们并不是唯一的观察者。时间在第二条路径上向后发展(或者说,人们认为这是向后的,而对于宇宙中的观察者来说,时间会向前发展)。这是宇宙的第二种未来,是一个自我们的世界诞生之时起就出现的镜像世界。


图源:APS/艾伦·斯通布雷克


巴伯等人发表论文中的数据显示,这些点在“宇宙大爆炸”之前聚集在中心,然后继续向任一方向移动。观察者只能在中心一侧,因此右半部分的观察者永远不会知道左半部分存在着一个镜像世界。


但是,该模拟实验并未在模型中纳入量子力学或相对论。它的简单性既吸引人,又让人怀疑它的准确性。人们可能会在模拟实验中看到两个宇宙从中心状态开始蓬勃发展,但这是否意味着现实世界也是如此呢?


镜像宇宙的想法实际上起源于20世纪50年代,Wu实验取得的惊人结果。


物理学有三种对称性,分别为反射、旋转和平移。反射的对称性也叫作宇称,以左倾或右倾状态出现。在自然界的四大基本力(电磁力、引力、强核力、弱核力)中,只有弱核力的宇称被破坏了。


粒子在量子力学尺度上相互作用时,它们之间的相互作用往往向左倾斜,所以人们生活的宇宙总体上向左倾斜,不存在左右对称。


图源:pexels


这与时间之箭的问题类似。人们在这个宇宙中所经历的某些事情没有任何理由发生。就好比没有理由解释时间为什么必须向前发展一样,也没有理由解释左倾会胜过右倾。为了解释宇宙被破坏的原因,镜像世界的概念开始发挥作用。


方法十分简单。如果存在一个对人们来说遥不可及的镜像世界,那么该宇宙将向右倾斜,而从全局来看,这将再次达到平衡。该世界的物质被称为镜像物质。镜像粒子与我们所在世界中的粒子相同(作用力也相同),但只会以最弱、最短暂的方式与后者相互作用。


镜像物质甚至会发光,但两个世界之间的任何相互作用都极难监测到。多年来,人们提出一个可能的解释,即镜像物质就是暗物质,一个无处不在而又模糊不清的幽灵。


图源:美国国家航空航天局、欧洲航天局


由于其引力作用,人们才知道暗物质的存在。此处的引力透镜展示了暗物质如何操纵来自遥远星系的光。如图所示,红色标注的是一星系的畸变图像,蓝色标注的是另一类星体的畸变图像。


一些科学家认为,光滑精细的镜像物质就是暗物质。人们很难理解暗物质,因为大部分暗物质都藏身于镜像世界中,只能通过引力作用才能在望远镜上显现出来。


如果这是真的,那就意味着镜像世界要比人类世界大5倍,因为暗物质的数量是普通物质的5倍。镜像宇宙不仅难以捉摸,而且宏伟壮丽。


关于镜像世界,人们最为关注的奥秘是中子衰变。中子是原子核的一部分。它们被分离出原子核后,会衰变为质子、电子和反中微子。所有的中子都是相同的,因此它们都应该在相同的时间内以相同的方式发生衰变。


科学家设置了两次实验。第一次是观察一束中子需要多长时间完成衰变。结果是14分48秒。第二次观察前,将中子置于科学瓶中,发现衰变所需时间为14分38秒。


前后相差10秒。一个中子的衰变与另一个中子的衰变之间没有理由存在任何区别。无论在什么环境下,所有的中子都应该在相同的时间内变为质子。


图源:埃文·伯克维茨


精确测量中子的寿命很重要。这种差异不仅让人困惑,而且中子衰变还和宇宙大爆炸后可获得的氢和氦的量有关。这是了解宇宙过去及其遥远未来的一个因素。在上图中,一个中子衰变为三个粒子。


起初,科学家将这归咎于实验错误。有许多参数可能是错误的。中子束强度和探测器效率就是其中的两种错误。但是多年来,该测试一直在重复进行,每次都采用更精密的工具和更细致的观察方法。


有史以来最精确的一次测量仍然显示出中子束和瓶中子衰变时间存在9秒的差异。如果存在镜像宇宙这样的地方,那么它会通过吸收粒子来影响科学家对中子衰变的观察。比如,置于瓶子中的中子将进入镜像世界,成为镜像物质。它们不再会被检测到,因此会影响科学家对中子衰变时间的判断。


镜像领域可以解开现代世界的很多谜团。在这片土地上并不存在我们自己的镜像,过着镜像的生活,睡在我们房子的复制品里,和我们家人的复制品生活在一起。


相反,镜像宇宙是我们这个世界的兄弟。反射的粒子可能会形成家庭似的大型结构。这些行星和恒星遵循倒退的时间观念,固定在与我们隔绝的广阔宇宙的天空之上。


图源:pexels


我们的世界扭曲了。在显微镜下,那个世界的粒子甚至看起来像地球的粒子。这就是为什么镜像宇宙如此令人难忘——我们可能会看到它渗入我们宇宙的痕迹,而这无法用任何正常的手段解释。


然而,它仍然不愿意展示自己的全貌,也不愿意被我们触碰。它就在那里徘徊着。好似幽灵,为人熟知,关系亲密,却又令人费解。


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