「宇宙大爆炸」模擬實驗:探索鏡像宇宙的奧秘

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圖源：pexels

先來看一個很簡單的模擬實驗：

1000個粒子在屏幕上運動，它們處於一個遵循牛頓物理學相關定律的數字世界。這些粒子以其最高複雜度分開分布，仿佛在探索人造世界的邊界，也許希望能找到其中的一個銳利邊緣。它們在重力作用下相互作用，一些粒子將聚集成為人們熟知的星團，它們與星系或恆星類似。

這一實驗模擬了宇宙；宏偉複雜的天體被縮小為屏幕上平坦光滑的點。這些點以其最低複雜度結合在一起，形成一個十分擁擠的區域，這與宇宙早期驚人的密集狀態很相似。

兩個相同世界誕生的一瞬間 | 圖源：美國國家航空航天局

對宇宙大爆炸的模擬最為有趣：粒子聚集於一個擁擠的中心點，然後它們沿著兩條分開的路徑向外移動。它們會漂浮起來，聚集成行星系統和星系的形狀。屏幕上的這些點代表的雖然是現實世界的最初階段，但也足以激動人心。

按照我們一貫的看法，現實世界中可沒有兩條路徑。然而真的如此嗎？

圖源：美國橡樹嶺國家實驗室

這是橡樹嶺的某個核反應堆。有人想打開通往鏡像世界的「大門」。近年來，一些實驗試圖向鏡像世界發送粒子並讓它們返回，以此來探測該世界，比如美國橡樹嶺國實驗室的利亞·布魯薩進行的實驗。

該實驗用到了一束粒子，它沿著帶有強磁體的長隧道行進。粒子通過磁體，流向一堵厚牆。正常情況下，該厚牆不會讓任何粒子通過。如果確實有粒子通過，那麼就可能意味著它們變為了鏡像狀態，並再次返回。

模擬宇宙大爆炸呈現出的兩條不同路徑意味著兩個獨立的宇宙已經形成，它們彼此互為鏡像。該實驗本身就是為了更好地理解時間之箭。

人們的生活為什麼只向一個方向發展，而不向另一個方向展開？事件發生後，人們才創造出和其有關的珍貴記憶，而並不是先有記憶然後見證事件的發生。

時間之箭一直是物理學領域的一個謎。相對論或電動力學等最為著名的定律都沒有任何偏向。它們不在乎也不規定時間的流向。

到目前為止，對該現象最為流行的解釋是熵。時間不斷向前發展，因為熱力學第二定律要求宇宙一直處于越來越混亂的狀態。這種混亂狀態被稱為熵。

但這正是前文實驗中的1000點模擬所要挑戰的。在該實驗中，物理學家們並沒有依賴微調參數和熵，他們僅通過重力就能讓人們感知到時間的流向。

但這也表明人們並不是唯一的觀察者。時間在第二條路徑上向後發展（或者說，人們認為這是向後的，而對於宇宙中的觀察者來說，時間會向前發展）。這是宇宙的第二種未來，是一個自我們的世界誕生之時起就出現的鏡像世界。

圖源：APS/艾倫·斯通布雷克

巴伯等人發表論文中的數據顯示，這些點在「宇宙大爆炸」之前聚集在中心，然後繼續向任一方向移動。觀察者只能在中心一側，因此右半部分的觀察者永遠不會知道左半部分存在著一個鏡像世界。

但是，該模擬實驗並未在模型中納入量子力學或相對論。它的簡單性既吸引人，又讓人懷疑它的準確性。人們可能會在模擬實驗中看到兩個宇宙從中心狀態開始蓬勃發展，但這是否意味著現實世界也是如此呢？

鏡像宇宙的想法實際上起源於20世紀50年代，Wu實驗取得的驚人結果。

物理學有三種對稱性，分別為反射、旋轉和平移。反射的對稱性也叫作宇稱，以左傾或右傾狀態出現。在自然界的四大基本力（電磁力、引力、強核力、弱核力）中，只有弱核力的宇稱被破壞了。

粒子在量子力學尺度上相互作用時，它們之間的相互作用往往向左傾斜，所以人們生活的宇宙總體上向左傾斜，不存在左右對稱。

圖源：pexels

這與時間之箭的問題類似。人們在這個宇宙中所經歷的某些事情沒有任何理由發生。就好比沒有理由解釋時間為什麼必須向前發展一樣，也沒有理由解釋左傾會勝過右傾。為了解釋宇宙被破壞的原因，鏡像世界的概念開始發揮作用。

方法十分簡單。如果存在一個對人們來說遙不可及的鏡像世界，那麼該宇宙將向右傾斜，而從全局來看，這將再次達到平衡。該世界的物質被稱為鏡像物質。鏡像粒子與我們所在世界中的粒子相同（作用力也相同），但只會以最弱、最短暫的方式與後者相互作用。

鏡像物質甚至會發光，但兩個世界之間的任何相互作用都極難監測到。多年來，人們提出一個可能的解釋，即鏡像物質就是暗物質，一個無處不在而又模糊不清的幽靈。

圖源：美國國家航空航天局、歐洲航天局

由於其引力作用，人們才知道暗物質的存在。此處的引力透鏡展示了暗物質如何操縱來自遙遠星系的光。如圖所示，紅色標註的是一星系的畸變圖像，藍色標註的是另一類星體的畸變圖像。

一些科學家認為，光滑精細的鏡像物質就是暗物質。人們很難理解暗物質，因為大部分暗物質都藏身於鏡像世界中，只能通過引力作用才能在望遠鏡上顯現出來。

如果這是真的，那就意味著鏡像世界要比人類世界大5倍，因為暗物質的數量是普通物質的5倍。鏡像宇宙不僅難以捉摸，而且宏偉壯麗。

關於鏡像世界，人們最為關注的奧秘是中子衰變。中子是原子核的一部分。它們被分離出原子核後，會衰變為質子、電子和反中微子。所有的中子都是相同的，因此它們都應該在相同的時間內以相同的方式發生衰變。

科學家設置了兩次實驗。第一次是觀察一束中子需要多長時間完成衰變。結果是14分48秒。第二次觀察前，將中子置於科學瓶中，發現衰變所需時間為14分38秒。

前後相差10秒。一個中子的衰變與另一個中子的衰變之間沒有理由存在任何區別。無論在什麼環境下，所有的中子都應該在相同的時間內變為質子。

圖源：埃文·伯克維茨

精確測量中子的壽命很重要。這種差異不僅讓人困惑，而且中子衰變還和宇宙大爆炸後可獲得的氫和氦的量有關。這是了解宇宙過去及其遙遠未來的一個因素。在上圖中，一個中子衰變為三個粒子。

起初，科學家將這歸咎於實驗錯誤。有許多參數可能是錯誤的。中子束強度和探測器效率就是其中的兩種錯誤。但是多年來，該測試一直在重複進行，每次都採用更精密的工具和更細緻的觀察方法。

有史以來最精確的一次測量仍然顯示出中子束和瓶中子衰變時間存在9秒的差異。如果存在鏡像宇宙這樣的地方，那麼它會通過吸收粒子來影響科學家對中子衰變的觀察。比如，置於瓶子中的中子將進入鏡像世界，成為鏡像物質。它們不再會被檢測到，因此會影響科學家對中子衰變時間的判斷。

鏡像領域可以解開現代世界的很多謎團。在這片土地上並不存在我們自己的鏡像，過著鏡像的生活，睡在我們房子的複製品裡，和我們家人的複製品生活在一起。

相反，鏡像宇宙是我們這個世界的兄弟。反射的粒子可能會形成家庭似的大型結構。這些行星和恆星遵循倒退的時間觀念，固定在與我們隔絕的廣闊宇宙的天空之上。

圖源：pexels

我們的世界扭曲了。在顯微鏡下，那個世界的粒子甚至看起來像地球的粒子。這就是為什麼鏡像宇宙如此令人難忘——我們可能會看到它滲入我們宇宙的痕跡，而這無法用任何正常的手段解釋。

然而，它仍然不願意展示自己的全貌，也不願意被我們觸碰。它就在那裡徘徊著。好似幽靈，為人熟知，關係親密，卻又令人費解。

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