制图：Patryk Hardziej

来历：举世科学

撰文 | 迈克尔·布鲁克斯（Michael Brooks）

在某个不为人所知的区域，有一个与咱们国际彻底镜像的平行国际存在？为了验证这个看上去张狂的假说，试验物理学家现已开端了举动。如能证明镜像国际的存在，暗物质谜题也或许方便的解决。

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

这个镜子另一端的乖僻国际在你看来或许十分不真实。而利娅·布鲁萨尔（Leah Broussard）以为，一个一切都翻转过来的平行国际很有或许存在。她与其他田纳西橡树岭国家试验室的搭档们一同，尽力寻觅与咱们的国际呈镜像翻转的国际。那里有镜像的原子、镜像的分子、镜像的恒星与行星，乃至镜像的生命。

在曩昔几十年中，不断有诱人的头绪提示着这样一个国际的存在。现在，总算有试验预备验证这一理论了。假如镜像国际存在，它不仅可以改动咱们对实际的认知，更将回答在曩昔几十年中，科学家们关于国际的疑问。“这背面的含义会十分令人震惊。”布鲁萨尔说。

镜子对面的隐秘国际

在此之前，科学家就曾发现过“新国际”。1928年，保罗·狄拉克（Paul Dirac）发现，量子力学的公式中或许躲藏着曾经从未观测过的粒子。他提出，国际中存在着另一组微观粒子，它们能组成与咱们熟知的微观粒子彻底相同，但电荷相反的粒子。这个躲藏的反物质国际使咱们已知的微观粒子数量又添加了一倍。

但这还没完。1933年，瑞士天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）发现，星系团的旋转特征标明，它们之间遭到的引力作用力比其可观测质量所能发作的力要大得多。

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，咱们以为每个星系中都存在暗物质，其与可见物质的份额大概是5：1。可是，虽然以各种方式搜索多年，咱们从来没有直接找到过这种物质。

反物质与暗物质现已进入干流科学研讨范畴。但或许，那个奥秘的新国际现已在暗处躲藏了60多年，等候着咱们发现。1956年，李政道与杨振宁发现了宇称不守恒。在此之前，科学家一向假定一切的物理进程都会遵从必定的对称准则。这意味着，物理规则在某种变换下会坚持不变。

在粒子物理界的对称叫做宇称。宇称守恒规则了，当粒子的一切方位和方向都镜像翻转时，粒子的性质仍旧坚持不变。李政道与杨振宁提出了一个试验，来查验宇称不守恒的存在。华裔物理学家吴健雄完成了这个试验，并证明宇称不守恒确实存在。这个要害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。

关于宇称不守恒，李政道与杨振宁给出一个有点乖僻的解说。他们提出，宇称实际上是守恒的。咱们之所以观测到不守恒，是因为咱们只看到了完好画面的一半。“他们以为，在咱们的国际中观测到这些粒子的宇称不守恒，是因为在其他当地存在相反的粒子（反粒子），也显现出相同的宇称不守恒性，”意大利拉奎拉大学的祖拉布·别列吉阿尼（Zurab Berezhiani）说，“因而，总的来讲宇称仍是守恒的。”

这个“镜像物质国际”的观念在其时并没有得到认可，且还需要面临许多根本粒子物理的扎手问题。而现在，像布鲁萨尔和别列吉阿尼这样的研讨者开端从头审视这个观念。别列吉阿尼说，实际上，或许咱们好久前就现已观察到“镜像国际”存在的痕迹了。

最显着的是，咱们可以经过中子的行为来窥见别的一个国际的痕迹。原子核外的中子（自在中子）会经过β衰变构成电子与质子。几十年来，咱们一向在尽力测验丈量出自在中子的衰变时刻，而得到的效果却总是无法共同。

大致来讲，丈量自在中子的衰变时刻有两种办法——“瓶”办法与“束”办法。瓶试验十分直观：运用弱小磁场将一堆中子收束在瓶状势阱中，然后静静等候。一段时刻后，计算势阱中还剩多少中子。依据这种办法，中子在衰变前可以存活的均匀时刻是14分钟39秒。

而束试验计算的则是一个核反应堆中，一束中子射线中呈现的质子数。这种情况下，质子只能作为中子衰变的产品呈现。这种办法丈量出的中子均匀寿命是14分钟48秒。而问题是，“这两个效果应该是相同的。”别列吉阿尼说。

最开端，物理学家们以为那多出来的9秒钟仅仅试验差错罢了。但当咱们不断改进试验设备，加强试验精确度之后，效果却愈加显着。依据这两项试验，好像有两个不同的中子衰变周期。

假如镜像国际真的存在，那么它就应该是形成试验效果差异的原因。这个模型的关键是，中子会在两个国际之间来回振动，别列吉阿尼解说说：“当中子穿过磁场时，振动的或许性添加了。”这是个令人惊掉下巴的推论。中子仅仅暂时“借住”在咱们这个国际，余下的时刻中它处于实际镜面的另一侧，放射出的质子咱们也无法勘探到。

假如在一百个中子中，有一个恰巧在释放出质子之前穿越到另一端的对称国际，那么咱们就勘探不到它释放出的质子。这就解说了为什么射线试验中中子的衰变时刻要长一些。

寻觅镜像中子

镜像理论可以解说的东西还有许多。“许多谜题都可以自可是然地用相同的模型和参数解说。”圣母大学的谭万鹏（音）说。镜像国际的模型乃至可以为暗物质的存在以及它难以被发现的原因供给一个合理的解说。“镜像中子好像是暗物质粒子的一种合理的解说，”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。”

当你了解了应该存在的镜像粒子的品种有多少之后，你会觉得这个理论愈加有说服力。为了与前期国际演化模型坚持共同，国际镜像部分的温度应该比咱们的国际更低。假如热量太高，那么镜像粒子就可以更简略地穿过边界，添加咱们这个国际的引力并改动国际演化的途径。这种温度差会使粒子更简略穿过镜面，在不同的镜像国际之间来回。解说最齐备的镜像理论以为，每个粒子对应五个镜像粒子，正好与咱们观测到的暗物质与可见物质的份额符合。

不仅如此，因为这些根本粒子组成了恒星、行星以及人类，咱们可以合理置疑，在其他国际中也存在镜像的生命，或是其他咱们无法幻想的东西。“在镜像国际里，工作发作的几率是咱们国际的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企图研讨，为什么他们那个国际的暗物质比可见物质还要多五倍。

理论很好，但寻觅相应的证明却好不容易。在国际的四种根本力——电磁力、强彼此作用力、弱彼此作用力与引力中，“国际的镜像部分只能经过引力与咱们彼此作用，而引力关于试验来说又太弱了。”田纳西大学研讨镜像物质的科学家尤里·卡米什科夫（Yuri Kamyshkov）说。

答案或许躲藏在更精细的中子衰变试验里。2012年，别列吉阿尼宣布了一篇论文，论述了瓶试验捕捉到镜像中子信号的或许性。他提出，一小部分镜像物质被地球自转带到了咱们的国际。带电的镜像粒子（比方或镜像电子）发作了一个镜像的磁场，这会添加中子从咱们国际穿越出去的或许性。

这个主意让瑞士保罗谢尔研讨中心的克鲁斯·基尔希（Klaus Kirch）等人很感爱好。他们用了愈加精细的仪器去检测镜像磁场影响中子衰变的或许性。

基尔希以为这个主意有点勉强，但研讨起来十分风趣。他说：“我不太信任可以勘探到镜像中子的信号，所以咱们规划了试验去证伪，然后看看效果怎么。”试验内容包含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，试验现在现已完成了，可是他的团队还在剖析效果。

布鲁萨尔则在抱着爱好张望。和其他橡树岭研讨中心的搭档们一道，她预备用愈加精细的试验来检测别列吉阿尼的观念。

试验的原理十分简略：向一面中子无法穿透的厚墙发射中子束，假如在墙的另一边勘探到了中子，就阐明有中子进入了镜像国际，然后没有被厚墙阻挠，并且在撞到勘探器之前又回到了咱们的国际。“只要那些进入了镜像国际后又回来的中子才干被勘探到。”布鲁萨尔说。

经过改动厚墙两头的磁场强度，布鲁萨尔想看看她能不能找到适宜的磁场强度及形状，然后添加穿过墙的中子数量。“假如我的数字是正确的，那么他们应该能观察到一些现象。”别列吉阿尼说。

后续试验

试验仪器现已搭建好，整装待发。布鲁萨尔现在正在和橡树岭试验中心的试验人员洽谈，商定一个适宜的时刻展开试验。虽然她心境很激动，她却并不等待第一次试验就能完成打破——谁也不知道究竟多大的磁场可以有用地添加粒子穿越的或许性。“我以为，咱们一个中子都勘探不到。”她说。实际上，关于布鲁萨尔，这次试验的首要意图便是尽量缩小或许的有用磁场强度的规模。

但假如基尔希团队观测到了与镜像中子共同的信号，那么布鲁萨尔和她的团队就可以参阅基尔希的效果，以找到适宜的磁场强度。假如磁场的存在改动了势阱内中子的数量，那么或许就可以证明，镜像国际是存在的。

卡米什科夫现在正在与布鲁萨尔协作。“虽然得到任何效果的或许性都很小，但这是一次简略且并不贵重的试验，”卡米什科夫说，“假如一场物理学革射中或许会发作好的效果，那么咱们有必要测验。”

哪怕这些试验真的证明的镜像中子的存在，布鲁萨尔说，咱们还需要许多作业去证明它和暗物质有关，以及找到通向其他镜像区域的办法。“我想说，这是一个很好的开端，但我以为前方还有许多应战。”她说。

假如咱们没有找到镜像中子呢？布鲁萨尔可以必定一件工作，便是镜像理论并不会因而被扔掉。“理论物理学家一向很拿手逃避试验物理学家给他们设下的圈套。”她说。但考虑到物理学家用现行理论无法解说的种种问题，你应该可以了解为什么他们要在镜子中寻觅答案了。