138億年前宇宙的一道光，或將迫使我們建立新的物理學法則

在宇宙中，不論是恆星與恆星之間，還是星系與星系之間，都彌散著一種非常微弱卻極其特殊的電磁波。這種電磁波記錄著最古老的宇宙歷史，因此備受科學家們的關注，它就是宇宙微波背景輻射（the cosmic microwave background，簡稱CMB）。

138億年前，宇宙大爆炸，創造了今天宇宙中的物質。但是，當時宇宙溫度過高，亞原子粒子無法穩定結合在一起。在大爆炸的38萬年後，宇宙終於降溫到允許離子和電子結合為原子。這些初生的原子十分活躍，用微波向宇宙宣示自己的誕生，於是就形成了CMB。

多年以來，科學家一直通過CMB了解宇宙的那一段歷史，也是推測宇宙誕生與演化的重要參考。最近，他們在對CMB進行研究的時候，發現了一些詭異的事情。一種新的觀測技術暗示了光的一種扭曲，而這種現象正在挑戰著一個物理理論——宇稱守恆。難道，我們又要迎來物理學的一次重大變革？

粗略地講：根據物理學的標準模型，如果某個物理定律經過了鏡像的翻轉，那麼這個物理定律本身仍然適用，這就叫做宇稱守恆。

1956年的時候，楊振寧和李政道對這個法則提出了挑戰，並且在實驗女王吳健雄的幫助下，他們證明了弱相互作用下的宇稱不守恆，並且在1957年獲得了諾貝爾物理學獎。不過，他們的證明也僅限於弱相互作用，也就是微觀世界。而如今，科學家們在宇宙尺度下發現了宇稱可能不守恆的現象，就更加令人震驚了。

這一次可能轟動物理學界的發現，來自於兩名日本物理學家——日本高能加速器研究機構的Yuto Minami和德國馬克斯·普朗克天體物理研究所和日本卡夫利宇宙物理與數學研究所的Eiichiro Komatsu相信，通過CMB的偏振角，他們發現了宇稱不守恆的線索。

所謂的偏振，是包括可見光在內的所有電磁波的一個特點，我們可以理解為它只能朝一個方向振動。我們經常看的3D電影，就是利用兩個眼鏡接收兩個不同方向的偏振光，使我們看到了立體的效果。在光線被散射後，波就會發生偏振，大氣層中的一些顆粒或水分子就可以產生這個效果。在宇宙中，這樣的現象也會發生。

正如我們前面所說，在大爆炸的38萬年之內，宇宙都保持著極高的溫度，以至於亞原子粒子到處亂竄，根本無法結合為原子。在那個時候，整個宇宙也像是充滿了迷霧一樣，看起來十分模糊，光子在宇宙中的傳播也面臨著重重阻礙。

然後，宇宙溫度降低到了一定的程度，質子和電子終於相對穩定了一點，結合成為了氫原子。宇宙開始平靜，空間也變得透明，光子終於可以自由穿梭。就在等離子體向中性氫轉化的過程中，光子在電子作用下發生散射，導致了CMB的偏振。

這種偏振可以給科學家提供許多關於早期宇宙的秘密，尤其是它離奇的偏振角度CMB β，更加引起了科學家的注意，因為它有可能暗示我們CMB與暗能量和暗物質之間的神秘關聯。我們知道，暗能量是宇宙膨脹的動力，暗能量則提供著引力，它們佔據了宇宙能量的絕大部分，卻始終無法被我們探測到。

Minami解釋說：「如果暗物質或暗能量以違背宇稱守恆的形式與宇宙微波背景輻射的光產生相互作用，那麼我們通過後者的偏振數據就能找到其中的證據。」

問題在於，科學家要如何準確地探測到這個β角呢？2009年，歐洲航天局的普朗克衛星發射升空，它攜帶了一臺非常先進的儀器——那就是極為靈敏的偏振光探測器。在2018年的時候，它就發布了關於CMB的一些最新觀測數據，提供了本次研究的基礎。

接下來還有一個問題：科學家們不知道衛星拍攝時的精確角度，因此在獲得了角度數據後，也很難判斷這個角度到底是來自於真正的偏振角β，抑或只是探測器的轉向所形成的角度讓人誤以為是偏振角β。

這個問題該怎麼解決呢？

說起來這個原理也簡單，這就類似於給哈勃望遠鏡拍攝的照片去除噪音一樣，將多個圖像進行對比，那些相同的部分就是我們要觀測的信號，而不同的部分就是噪音了。

Minami介紹說：「我們研究了一種新的方法，利用銀河系內的塵埃所形成的偏振光來判斷人為調節的旋轉角度。利用這個手段，我們取得了兩倍於以往研究的精確度，最終能夠測量出β角。」

我們知道，在幾十上百億光年的宇宙尺度下，銀河系內幾千、幾萬光年的距離就顯得不值一提了。在這個尺度下，銀河系塵埃產生的輻射不會受到暗物質和暗能量的影響。因此，在這種參照之下出現的旋轉，都是來自於人造設備自己的旋轉。

由於普朗克衛星提供的數據既包含了偏振角，也包含衛星旋轉的角度。因此在上面的工作完成之後，從數據中減去衛星的旋轉角度，就能準確地知道CMB β的角度。

通過這項研究，科學家確定β確實不為0，置信度高達99.2%。這意味著這個偏振角確實存在，並且暗示著宇宙可能還存在大尺度下的宇稱不守恆現象。

需要注意的是，儘管本次研究的置信度高達了99.2%，它仍然不足以說明我們將要建立一個新的物理理論。如果真的要挑戰傳統物理學，一項研究的置信度必須高達99.99995%才可以！這看起來好像有點過於苛刻，但是畢竟很多現有理論都很牢固，在可見範圍內也運行地極好。因此，必須要有足夠高的置信度，才能夠讓我們接受新理論。

不管怎麼說，這已經是一次重要的發現，也給其他科學家們提供了一個方向。如果他們的研究成果的確是正確的，那麼我們今天可能就正在見證新理論的誕生！