時(shí)間倒流的反宇宙

南極是地球上最冷的地方，對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，無(wú)異于人間地獄，但對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，南極卻是天堂。那里不僅空氣污染少，而且無(wú)線電噪聲也少，是探測(cè)來(lái)自宇宙的粒子的理想之地。

自2014年以來(lái)，美國(guó)宇航局的 南極脈沖瞬態(tài)天線（簡(jiǎn)稱ANITA）”項(xiàng)目一直在那里進(jìn)行探測(cè)來(lái)自宇宙深空的高能中微子的實(shí)驗(yàn)。

在南極探測(cè)中微子

地球不斷受到宇宙射線的轟擊，其中一些粒子的能量是我們最強(qiáng)大的粒子加速器所能產(chǎn)生的能量的一百萬(wàn)倍之多。宇宙學(xué)家很想知道這些超高能量的宇宙射線來(lái)自哪里。但這個(gè)問(wèn)題很難回答，因?yàn)檫@些射線的軌跡被銀河系的磁場(chǎng)扭曲，使得我們幾乎無(wú)法追蹤它們的起源地。

幸運(yùn)的是，無(wú)論什么東西產(chǎn)生超高能的宇宙射線，幾乎總是伴隨著另一種粒子——中微子。由于沒(méi)有電荷，中微子不受磁場(chǎng)的干擾，能以直線在宇宙中飛行。因此，定位了中微子的起源地，也就意味著鎖定了宇宙射線的來(lái)源。

但中微子卻是一種極難探測(cè)的粒子。它非常孤僻，跟其他粒子既沒(méi)有電磁力作用，也沒(méi)有強(qiáng)核力作用，僅有弱核力作用，因此它跟普通物質(zhì)相互作用的概率非常低。譬如雖然在我們身邊，每秒鐘都有數(shù)以億計(jì)的太陽(yáng)中微子穿過(guò)，但我們一點(diǎn)都感覺(jué)不到。實(shí)驗(yàn)上，為了提高中微子探測(cè)的概率，需要?jiǎng)佑镁蘖康奶綔y(cè)材料。例如，埋在南極地下的中微子探測(cè)器“冰立方”，就動(dòng)用了幾十萬(wàn)個(gè)游泳池大小的南極冰川。

位于南極的美國(guó)宇航局的“南極脈沖瞬態(tài)天線（簡(jiǎn)稱ANITA）”項(xiàng)目

與埋在地下的“冰立方”不同，ANITA利用氦氣球?qū)⒏叨褥`敏的探測(cè)儀器送到南極上空大約35千米的位置，然后每月掃描一次近百萬(wàn)平方千米的冰凍地面，來(lái)捕捉中微子這位宇宙“隱身人”。當(dāng)一個(gè)高能中微子射入南極冰層，如果它非常幸運(yùn)地與其中一個(gè)水分子相互作用，就會(huì)產(chǎn)生一系列帶電粒子，并發(fā)出無(wú)線電波。如果ANITA檢測(cè)到從冰面發(fā)出的這些無(wú)線電波，研究人員就能確定該中微子的入射方向，從而反推出它在宇宙中的來(lái)源地。

中微子從地下冒出來(lái)

然而，怪事就這樣發(fā)生了。2016年，ANITA檢測(cè)到來(lái)自冰面的一個(gè)高能中微子信號(hào)。但根據(jù)它的入射方向判斷，它不是從南極上空自上而下射入的，而是自下而上從地底下冒出來(lái)的！2018年，這樣的怪事又發(fā)生了一次。而且這個(gè)中微子攜帶的能量大得驚人，達(dá)到（2-10）×108 GeV ，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的2億到10億倍。

地球內(nèi)部的任何放射性元素顯然是制造不出如此高能量的中微子的，所以它們只能是來(lái)自地球另一頭的天空，穿透地球之后被南極冰川捕捉到的。對(duì)于低能量的中微子，做一次穿透地球的旅行是稀松平常的事，但能量如此高的中微子要穿透地球，幾乎是辦不到的，何況這樣的事情在短短兩年內(nèi)還發(fā)生了兩次。

物理學(xué)家絞盡腦汁，試圖解釋這一神秘的現(xiàn)象，但最后不得不承認(rèn)，他們解釋不了。

俗話說(shuō)，非常之事需要非常之手段。最近，加拿大宇宙學(xué)家尼爾·圖羅克提出一個(gè)令人震驚的猜想：這兩個(gè)高能中微子也許就是我們“眾里尋他千百度”的暗物質(zhì)粒子，而它們又預(yù)示著存在一個(gè)與我們的宇宙在各方面都對(duì)稱的“反宇宙”，那里甚至連時(shí)間都是倒著流的！

暗物質(zhì)、鏡像宇宙、時(shí)間倒流，圖羅克的猜想幾乎把當(dāng)前物理學(xué)、宇宙學(xué)上的熱點(diǎn)問(wèn)題都囊括盡了。那么，這些熱點(diǎn)問(wèn)題是怎么被他關(guān)聯(lián)起來(lái)的呢？請(qǐng)聽(tīng)我從頭道來(lái)。

物理學(xué)上的對(duì)稱

圖羅克原先的工作其實(shí)與ANITA項(xiàng)目所從事的中微子探測(cè)相去甚遠(yuǎn)，他研究的是宇宙大爆炸早期的情況。

ANITA利用氦氣球?qū)⑻綔y(cè)儀器送到南極上空大約35千米的位置，每月掃描一次近百萬(wàn)平方千米的冰凍地面。

我們對(duì)大爆炸之后宇宙的早期情況知之甚少。原因是，早期宇宙中物質(zhì)密度太大，光子的能量太高。光子在傳播過(guò)程中，很容易被其他粒子俘獲，因此傳播不遠(yuǎn)。這意味著早期宇宙對(duì)于我們是一團(tuán)漆黑的。直到宇宙冷卻到一定程度，才開(kāi)始變得透明起來(lái)。我們所謂的“宇宙中第一束光”——微波背景輻射，就是在那個(gè)時(shí)候發(fā)出來(lái)的，但那已經(jīng)是大爆炸之后差不多40萬(wàn)年了。所以，對(duì)于早期的宇宙，我們幾乎一點(diǎn)觀測(cè)信息都得不到，只能完全憑想象。

在這樣一團(tuán)漆黑的領(lǐng)域里搞科學(xué)研究，總要求助點(diǎn)指南之類的東西，來(lái)個(gè)摸著石頭過(guò)河。什么可作為可靠的指南呢？圖羅克想到了對(duì)稱性。

所謂的對(duì)稱，在物理學(xué)上的含義比幾何學(xué)上要寬泛得多。幾何學(xué)上的對(duì)稱，單單指的是圖形對(duì)稱。而物理學(xué)上的對(duì)稱，指的是物理規(guī)律在某些變換下保持不變的意思。譬如，物理規(guī)律不隨空間地點(diǎn)的改變而改變，牛頓定律不僅在牛頓的故鄉(xiāng)英國(guó)成立，在中國(guó)、美國(guó)都成立，這叫“空間平移變換不變性”。物理規(guī)律不隨時(shí)間的改變而改變，今天成立，昨天成立，明天也成立，這叫“時(shí)間反演變換不變性（T變換不變性）”。再比如，僅僅改變一個(gè)球的顏色，它對(duì)地球引力的反應(yīng)不受影響。假如取個(gè)名，也可以叫做“顏色變換不變性”。

在我們看來(lái)，這些對(duì)稱性似乎都是理所當(dāng)然的。要是哪一天在美國(guó)成立的物理定律，到了中國(guó)就不成立了，或者某個(gè)物理定律像隔夜菜一樣，隔了一天就變“餿”了，那倒是奇怪了。

CPT守恒

在粒子物理學(xué)上，還有兩個(gè)比較特殊的對(duì)稱。一個(gè)叫宇稱變換不變性（P守恒），一個(gè)叫電荷共軛變換不變性（C守恒）。

宇稱（P），又叫“左右對(duì)稱”或“鏡像反演”。“ 宇稱變換不變性（宇稱守恒）”的意思是，把涉及物體的所有位置和方向都像在鏡子里一樣翻轉(zhuǎn)，物理過(guò)程和物理規(guī)律保持不變。例如，一個(gè)小球向右運(yùn)動(dòng)，它遵從牛頓運(yùn)動(dòng)定律。假如我們放一面鏡子，在鏡像世界里做這個(gè)實(shí)驗(yàn)——你或許會(huì)好奇地問(wèn)：我們?cè)趺吹界R像世界去做實(shí)驗(yàn)?zāi)?？其?shí)，不必跑到鏡子里去，只要把實(shí)驗(yàn)裝置都按鏡像所顯示的那樣去安排就是了——小球則向左運(yùn)動(dòng)。但像向右運(yùn)動(dòng)的小球一樣，向左運(yùn)動(dòng)的小球，也遵從牛頓運(yùn)動(dòng)定律。

電荷共軛（C）不變性指的是把一個(gè)帶電粒子的電荷反個(gè)號(hào)，把它變成它的反粒子，物理規(guī)律和物理過(guò)程保持不變。比如，氫原子由中心的一個(gè)質(zhì)子和核外運(yùn)動(dòng)的一個(gè)電子組成。質(zhì)子帶正電，電子帶負(fù)電。假如對(duì)氫原子進(jìn)行電荷共軛操作，它就變成了由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)正電子組成的反氫原子。反質(zhì)子帶負(fù)電，正電子帶正電。電荷共軛不變性意味著，氫原子和反氫原子的能譜、化學(xué)性質(zhì)等都完全相同。

許多人或許以為，P守恒和C守恒也是理所當(dāng)然的，但事實(shí)上，在微觀世界，這兩種守恒并不嚴(yán)格成立。宇稱不守恒最早是由李政道和楊振寧提出，并由吳健雄通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的。這一發(fā)現(xiàn)在1950年代曾經(jīng)轟動(dòng)了國(guó)際物理學(xué)界。

宇稱和電荷共軛的不守恒，讓物理學(xué)家深感沮喪。但他們又想，雖然C和P單獨(dú)都不守恒，但組合起來(lái)CP變換或許還是可以保持守恒的呢。要是CP守恒，意味著把一個(gè)物理過(guò)程中涉及的位置和方向都像在鏡子里一樣翻轉(zhuǎn)，然后把帶電粒子變成它的反粒子，物理規(guī)律和物理過(guò)程保持不變。但他們連這點(diǎn)安慰都沒(méi)得到。1964年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，CP守恒是不成立的。

物理學(xué)家不死心，再在CP變換中加入一個(gè)時(shí)間反演變換T，他們想，雖然CP變換不守恒，但 CPT變換或許是守恒的。CPT守恒意味著把左變成右，用反粒子代替粒子，并顛倒時(shí)間的流向，那么變換后的物理過(guò)程仍然遵守我們的物理定律。

這一次，沒(méi)讓他們失望。迄今，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一例是違反CPT守恒的。CPT守恒被認(rèn)為是粒子物理學(xué)上最完美、最深刻的定律之一。

探測(cè)到的是暗物質(zhì)粒子？

圖羅克研究早期宇宙所求助的“指南”就是CPT守恒。

在大爆炸中同時(shí)誕生了兩個(gè)宇宙——我們的宇宙和它在做了CPT變換之后的反宇宙。大部分物質(zhì)被輸送到我們的宇宙，而大部分反物質(zhì)則被輸送到了反宇宙。

2018年，圖羅克和他的同事發(fā)現(xiàn)，如果CPT守恒在宇宙的最早期也成立的話，那么這個(gè)對(duì)稱性對(duì)在大爆炸中產(chǎn)生的各種粒子類型和數(shù)量都會(huì)有一個(gè)嚴(yán)格的限制。

這個(gè)限制涉及一種未知的中微子。我們迄今發(fā)現(xiàn)的中微子有三種：e型中微子、μ型中微子和τ型中微子。這些中微子質(zhì)量都很輕，而且都是左旋的。左旋的意思是：伸出你的左手，豎起大拇指指向中微子的運(yùn)動(dòng)方向，那么另外四指握拳，指尖所指就是它的自旋方向。

粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，只存在這三種中微子，但有別的理論預(yù)言還存在第四種中微子——一般稱作“惰性中微子”。這種中微子是右旋的，而且質(zhì)量應(yīng)該很重——只是到底有多重，并沒(méi)有一個(gè)確切的說(shuō)法。

小貼士

如何進(jìn)行時(shí)間反演操作你或許會(huì)好奇地問(wèn)：在實(shí)驗(yàn)上如何安排時(shí)間反演操作呢？

直接去逆轉(zhuǎn)時(shí)間的流向，當(dāng)然是辦不到的。但好在很多物理量涉及時(shí)間，譬如速度和加速度。由于速度與時(shí)間的變化量ΔT成反比，而加速度與ΔT的平方成反比，所以時(shí)間反演之后，速度反向，但加速度的方向卻保持不變。

因此，對(duì)一個(gè)向右加速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行時(shí)間反演操作，就意味把讓這個(gè)物體向左做減速運(yùn)動(dòng)（前一過(guò)程，速度和加速度同向，所以加速;后一過(guò)程，速度和加速度反向，所以減速）。對(duì)一個(gè)越跑越快的人進(jìn)行時(shí)間反演操作，就是讓他退著跑，越跑越慢。跟電影倒著放是一回事。

在我們的宇宙中，反物質(zhì)在哪里？

現(xiàn)在，由于惰性中微子的數(shù)量已經(jīng)被CPT守恒所限制，圖羅克他們發(fā)現(xiàn)，如果把它的質(zhì)量調(diào)得恰到好處，就可以把它們當(dāng)作宇宙中迄今失蹤的那部分質(zhì)量，而這部分失蹤的質(zhì)量正是暗物質(zhì)所扮演的角色。換句話說(shuō)，惰性中微子可能就是我們夢(mèng)寐以求的暗物質(zhì)粒子。

計(jì)算表明，倘若惰性中微子是暗物質(zhì)粒子，它的質(zhì)量應(yīng)該是大約5×10⁸GeV ，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的5億倍。

還記得前面提到ANITA探測(cè)到的兩個(gè)高能中微子的能量嗎？它們相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的2億到10億倍，而現(xiàn)在理論上計(jì)算得到的惰性中微子質(zhì)量正好落在這個(gè)范圍之內(nèi)。所以，圖羅克聲稱，ANITA探測(cè)到的高能中微子不是別的，很可能就是暗物質(zhì)粒子。

時(shí)間倒流的反宇宙

可是，且慢！——古人說(shuō)書(shū)的時(shí)候，每講到精彩之處，總要來(lái)句“且慢”，咱也不能免俗。且慢！這里還有一個(gè)大問(wèn)題。當(dāng)圖羅克將CPT對(duì)稱性應(yīng)用于早期宇宙的時(shí)候，還附帶產(chǎn)生一個(gè)結(jié)論：我們的宇宙應(yīng)該包含同等數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。

可是，這個(gè)“應(yīng)該”顯然違反事實(shí)。因?yàn)楸娝苤?，在我們宇宙中，物質(zhì)的數(shù)量大大超過(guò)反物質(zhì)的數(shù)量。如果兩者數(shù)量相等，那么正反物質(zhì)早就湮滅干凈，不會(huì)有我們今天的宇宙存在了。而且，當(dāng)初也正是基于這樣一個(gè)事實(shí)，讓很多宇宙學(xué)家傾向于認(rèn)為宇宙早期CPT變換是不守恒的。所以，當(dāng)圖羅克聲稱南極發(fā)現(xiàn)的中微子是暗物質(zhì)粒子的時(shí)候，他得先告訴我們：我們這個(gè)物質(zhì)占統(tǒng)治地位的宇宙是怎么來(lái)的？

這又是宇宙學(xué)上的一個(gè)大難題，至今困擾著許多人。但圖羅克并沒(méi)有被嚇倒，倒是激發(fā)他做出一個(gè)更加大膽的猜想：為了使CPT對(duì)稱性得以保持，大爆炸的時(shí)候必定同時(shí)創(chuàng)造了兩個(gè)平行的宇宙——一個(gè)是我們的宇宙，另一個(gè)是它在做了CPT變換之后的反宇宙。大部分物質(zhì)被輸送到我們的宇宙，而大部分反物質(zhì)則被輸送到了反宇宙。在反宇宙中，恒星或行星都是由反物質(zhì)構(gòu)成的。

做這樣的猜想的好處是，雖然在我們的宇宙中，物質(zhì)和反物質(zhì)是不對(duì)稱的，但是如果把宇宙和反宇宙合起來(lái)考慮，那么兩者還是對(duì)稱的。

拓展閱讀

其他幾種類型的平行宇宙

CPT對(duì)稱的宇宙只是物理學(xué)家提出的眾多類型平行宇宙中的一種。其最特別之處是在另一個(gè)宇宙，時(shí)間是倒著流的。除此之外，至少還有四種類型的平行宇宙，它們的含義都不一樣。

第一種平行宇宙是說(shuō)，既然我們的宇宙正處于膨脹中，那么我們的宇宙之外是什么呢，如果說(shuō)外面空無(wú)一物，顯然不太讓人信服，因此就引出了一種假說(shuō)，認(rèn)為在宇宙之外還有其它的平行宇宙，它們也處在膨脹中。

第二種平行宇宙是說(shuō)，宇宙在大爆炸之后不久，即發(fā)生了一次暴脹。暴脹使得我們所在的這部分宇宙與其他部分迅速分開(kāi)，失去聯(lián)系。于是，每一塊都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的“氣泡宇宙”。它們彼此構(gòu)成平行宇宙。

第三種平行宇宙是弦理論預(yù)言的。弦理論說(shuō)，存在著更高維度的空間，而我們這個(gè)三維空間的宇宙，其實(shí)不過(guò)是一張飄在更高維度空間的“膜”。這樣的膜宇宙還有很多，它們構(gòu)成了平行宇宙。在每個(gè)宇宙中，基本物理學(xué)常數(shù)（像光速、引力常數(shù)等）和物理規(guī)律很可能都是不一樣的。

第四種是量子力學(xué)框架下的平行宇宙。這也是我們平常說(shuō)得最多的平行宇宙。

在微觀世界，粒子的行為是非常詭異的，它可以同時(shí)既這樣，又那樣。量子力學(xué)用“波函數(shù)”來(lái)描述粒子的這種模棱兩可的行為。一個(gè)粒子的所有信息都包含在它的波函數(shù)中。你可以用波函數(shù)可靠地計(jì)算出，它處于某種特定狀態(tài)的概率有多大。

按量子力學(xué)正統(tǒng)的解釋，一旦你去測(cè)量，粒子的波函數(shù)瞬間就“坍縮”了。于是，粒子從眾多可能性中選擇了一種呈現(xiàn)給我們。但波函數(shù)坍縮太神秘了，到底是怎么回事，誰(shuí)也說(shuō)不清楚。

后來(lái)，美國(guó)物理學(xué)家休·埃弗雷特提出，波函數(shù)坍縮是不必要的假設(shè)。按他的觀點(diǎn)，當(dāng)對(duì)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，宇宙就會(huì)瞬間分裂成若干個(gè)宇宙， 這個(gè)宇宙的數(shù)量與波函數(shù)所包含的可能數(shù)量相當(dāng)——連同進(jìn)行測(cè)量的儀器、人以及其他一切，在每個(gè)宇宙中都有其副本——而波函數(shù)所包含的所有可能性都會(huì)在不同的世界中成為現(xiàn)實(shí)。

比如說(shuō)，粒子的狀態(tài)有兩種可能：衰變/沒(méi)衰變。現(xiàn)在你去測(cè)量它有沒(méi)有衰變，測(cè)得結(jié)果是它衰變了。但這個(gè)結(jié)果僅僅發(fā)生在我們這個(gè)世界，在另一世界，粒子選擇呈現(xiàn)的卻是另一種結(jié)果——沒(méi)衰變。只是在測(cè)量時(shí)，那個(gè)世界與我們的世界分道揚(yáng)鑣了。所以，在另一個(gè)世界，存在著另一個(gè)你，另一套測(cè)量?jī)x器，測(cè)量到的結(jié)果是粒子沒(méi)有衰變。推而廣之，對(duì)任何粒子做的任何一次測(cè)量，都會(huì)造成世界的一次新的分裂。這些因測(cè)量而產(chǎn)生的世界，構(gòu)成了平行宇宙。

根據(jù)P變換的要求，反宇宙跟我們的宇宙互為鏡像，譬如我們這里現(xiàn)有的三種中微子是左旋的，但是它們?cè)诜从钪嬷袑?duì)應(yīng)的粒子都是右旋的。

更令人驚訝的是，根據(jù)時(shí)間反演T變換的要求，這個(gè)反宇宙在時(shí)間上是倒著走的，我們的宇宙在大爆炸之后是不斷向外膨脹的，而反宇宙在我們看來(lái)，在大爆炸之后是不斷往回收縮的。

如何理解反宇宙？

不過(guò)，且慢！這不是很奇怪嗎？首先，反宇宙剛剛從大爆炸中誕生，還沒(méi)有伸展開(kāi)腿腳，就縮回去了，這跟壓根兒沒(méi)有誕生豈不是一回事？其次，難道在反宇宙中，因果關(guān)系是顛倒過(guò)來(lái)的嗎？

沒(méi)錯(cuò)，按一般人的看法，反宇宙確實(shí)是太不可思議了。不過(guò)，這一切顯得荒誕，僅僅是因?yàn)槲覀円晕覀冇钪娴臅r(shí)間觀來(lái)看。在反宇宙中的人看來(lái)，一切完全正常：他們的宇宙也在膨脹著，因果關(guān)系也跟我們這里一樣。相反，在他們看來(lái)，我們的宇宙倒是在不斷往回收縮。

總之，按圖羅克的說(shuō)法，從一個(gè)宇宙看另一個(gè)宇宙是沒(méi)有意義的，因?yàn)楦髯缘臅r(shí)間流向不同。兩個(gè)宇宙并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間箭頭。所以，我們不應(yīng)該推己及人，以一個(gè)宇宙中的時(shí)間觀去看待另一個(gè)宇宙中發(fā)生的事情，否則會(huì)鬧出跟下面這個(gè)故事中類似的笑話：一個(gè)小孩子坐在火車上，看到道旁的樹(shù)不停往后跑，于是問(wèn)媽媽：“媽媽，你不是說(shuō)樹(shù)沒(méi)有腳的么，它們?cè)趺磿?huì)往后跑？”

這樣一個(gè)奇怪的反宇宙，跟我們的宇宙只有一個(gè)交點(diǎn)，那就是大爆炸的奇點(diǎn)?？墒瞧纥c(diǎn)是兩個(gè)宇宙中的任何物質(zhì)都穿越不過(guò)去的，所以別指望反宇宙能給我們捎來(lái)信息，“嗨，我們來(lái)自反宇宙?！?/p>

這樣一來(lái)，這個(gè)猜想豈不既無(wú)法證實(shí)，也無(wú)法證偽了？別急，反宇宙本身確實(shí)是難以驗(yàn)證的，但圖羅克的理論還產(chǎn)生了幾個(gè)附加的結(jié)論，而它們是可以用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。

第一個(gè)預(yù)言是，大爆炸沒(méi)有產(chǎn)生原始的引力波。按標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸理論，大爆炸會(huì)產(chǎn)生最早的時(shí)空漣漪——引力波，只是迄今宇宙學(xué)家并未發(fā)現(xiàn)。

第二個(gè)預(yù)言是，現(xiàn)有三種中微子中最輕的一種，即e型中微子，實(shí)際上是沒(méi)有質(zhì)量的。目前，我們只知道e型中微子質(zhì)量非常小，但還不至于認(rèn)為它的質(zhì)量為零。

所以，倘若這兩個(gè)預(yù)言兌現(xiàn)了，那么這個(gè)存在反宇宙的觀點(diǎn)也許會(huì)更加可信，否則它也會(huì)像物理學(xué)中的許多時(shí)髦理論一樣，只是旋生旋滅的小浪花而已。