我们可能已经发现一个平行的宇宙在时间上倒退

这个奇怪的发现是在2016年出现的。自那时以来,提出了各种基于已知物理学的建议来解决这个令人困惑的信号,并且所有建议都被排除在外,剩下的事情令人震惊

在南极,事情发生的速度很快,你只需问彼得·高勒姆。在一个月的时间里,他和他的同事们将看到一个巨大的气球,上面装有漂浮在冰面上的天线,扫描了一百万平方公里的冰冻景观,以查看是否有高能粒子从太空进入。

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我们可能已经发现一个平行的宇宙在时间上倒退

当实验在第一次飞行后返回地面时,它本身没有任何显示,可以消除奇怪的背景噪音。一年多以后,第二次飞行后的故事也是一样。

当气球第三次升空时,研究人员决定再次浏览过去的数据,尤其是那些被视为噪音的信号。他们很幸运,在更加仔细地检查之后,一个信号似乎是高能粒子的信号。但这不是他们想要的。而且,似乎不可能。该粒子不是从上方坠落,而是从地面爆炸。

这个奇怪的发现是在2016年出现的。自那时以来,提出了各种基于已知物理学的建议来解决这个令人困惑的信号,并且所有建议都被排除在外,剩下的事情令人震惊。要解释这个信号,就需要存在一个与我们自身相同的爆炸中并同时存在的颠倒的宇宙。在这个镜像世界中,正为负,左为右,时间倒退。这也许是南极冰层上出现过的最令人着迷的想法,但这也许是真的。

气球实验的雄心壮志是“南极脉冲瞬态天线(ANITA)”。地球不断受到来自最远空间的宇宙射线粒子的轰炸,其中某些粒子的能量比我们最好的粒子加速器产生的能量高一百万倍。宇宙学家很好奇这些超高能宇宙射线是由什么构成的,以及它们来自何处,但是这些问题很难回答。一方面,射线的轨迹由于我们银河系的磁场而扭曲,几乎无法追踪它们的起源。

没有一个已知的物理学能够解释这个令人困惑的信号

幸运的是,几乎能产生超高能宇宙射线的任何东西,几乎都可以产生一个更有用的信标:中微子。由于它们的电荷不足,这些微小的粒子不会受到磁场的影响,而是沿着直线在空间中滑动。因此,确定中微子的起源以及串联产生的任何宇宙射线的起源只是从其影响点向后外推其轨迹的问题。这就是ANITA出现的地方。

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美国国家航空航天局气球计划办公室

当高能中微子冲入南极冰中时,会产生带电粒子簇,产生无线电波。如果ANITA检测到这些从表面发出的无线电波,其研究人员可以找出中微子撞击的位置,并确定伴随的宇宙射线的起源。夏威夷大学的实验粒子物理学家,ANITA的首席研究员戈拉姆说:“这个过程没有什么未知数。”

然而,它无法解释研究人员在2016年的发现。他们所处理的高能粒子似乎不是从头顶坠入冰中,而是从地面喷出,大概是从另一侧进入地球。正常,低能量的中微子之所以可以走这样的路程,是因为它们可以轻松地穿过物质。但是高能中微子以类似于粒子扑朔迷离的方式撞击像行星一样坚固的物体,它们根本无法不受阻碍地通过,宇宙射线也不行。

下一个想法是尝试一些创造性的解决方法。中微子有三种已知类型:电子、介子和tau。这些都不能高速穿越物质,但是在转变为tau中微子之前,tau中微子偶尔会转变成另一个称为tau轻子的粒子。高能的tau中微子很可能通过在进入时执行这种类型的转变而幸免于穿越地球。但这是一个虚构的想法,ANITA的科学家们都知道。

整个难题直到2018年才变得更糟,当时ANITA发现了另一个明显的信号,表明有大颗粒从地面喷出。宾夕法尼亚州立大学的德里克·福克斯(Derek Fox)等人的独立分析表明,发现两次此类事件的可能性不大。根据他们的计算,在ANITA飞行中两次tau中微子可以自由通过地球的机会是百万分之一。“现在我们没有简单的解释,”戈勒姆说。

40多年来,粒子物理学一直由标准模型控制,标准模型是一组粒子和力的列表,事实证明,该列表在解释自然世界方面非常准确。但是在这样的时代,研究人员经常被诱惑退出菜单。例如,西班牙巴塞罗那大学的伊凡·埃斯特万(Ivan Esteban)建议,罪魁祸首可能是轴力,这是一种假想的粒子,在1970年代末期被预测用来纠正自然界四大基本力量之一的不平衡。他认为,无线电信号可能是由于轴与地球磁场相互作用时将其变成光子而引起的。

同时,福克斯和他的同事们转向了超对称,这是对标准模型的大力扩展,在标准模型中,每个已知的基本粒子都有一个通常更重的孪生粒子。他们认为,超对称的tau或“ stau” 在穿越地球并产生ANITA信号的几率更高。麻烦的是,其他旨在检测超对称粒子的实验,例如瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机,却完全没有做到这一点。这导致许多物理学家对依赖于超对称性的预测持怀疑态度。

CPT的对称性从未被打破,但这给宇宙带来了麻烦

对于加拿大滑铁卢周边理论物理研究所的尼尔·图罗克(Neil Turok)来说,所有这些提议都不必要地变得复杂。他相信,与其发明大量新粒子来解释神秘现象,不如说我们应该利用我们已经知道的知识进行研究。他说:“粒子物理学已经从我们所知道的最经济的预测理论发展到了最起码,而且已有惊人的数量的人接受了这一理论。”

尼尔·图罗克对保持简单的热情可能使他为解决ANITA信号问题提供了出色的解决方案。最初,他关注的是一个远离南极冰的领域:大爆炸的直接后果。对称性的概念是帮助研究这一时期的少数指南之一,对称性是在某些变换下物理定律保持不变的观念。

我们通过速记来指代这些对称性。例如,C是电荷共轭对称性的缩写,它认为翻转粒子的电荷。用其反物质等效物代替它,换句话说,对其基本行为没有影响。P代表奇偶校验变换对称性,在这种情况下,一种情况下的物理原理与其镜像中的物理原理没有区别。T表示时间反转对称性,这意味着在时间上向后播放的过程不会违反任何物理定律。

已知涉及基本粒子的一两个过程分别违反了C、P和T对称性。然而,在所有这些情况下,其他两个对称性也被破坏以进行补偿,因此,总的来说,CPT对称性永不破裂。尼尔·图罗克说:“没有人能找到避免这种情况的方法,这是关于自然的非常深刻的陈述。”

在2018年,尼尔·图罗克和他的周边研究所合作者莱瑟姆·博伊尔和基兰·芬恩着手发现,如果CPT对称性也存在于我们的宇宙的最早时刻,那将意味着什么。他们发现,他们的计算结果对爆炸中喷出的粒子的类型和数量进行了严格限制。其中之一是沉重的“右手”中微子。与尼尔·图罗克的指导思想相反,这是一种假设粒子,但是人们普遍认为,这是抵消我们已经知道的中微子质量的必要条件,由于它们的旋转方式,它们被称为左撇子。通过CPT对称性固定它的丰度,尼尔·图罗克和他的同事发现,如果他们正确地调整其质量,它就可以与宇宙中最难以捉摸的物质之一- 暗物质的光合度相匹配。是几十年来物理学家一直在寻找的宇宙失踪质量。 尼尔·图罗克说:“我们简直不敢相信,右旋中微子只是作为暗物质候选者而退出。”

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气球安装的ANITA实验调查了超过100万平方公里的南极冰,以获取宇宙射线发出的信号

暗物质候选人并不难得到。但是,这一个质量为5,000亿电子伏特,约等于十亿分之一克。尼尔·图罗克当时不知道的是,这与ANITA看到的粒子质量一致。

可怕的对称

美国纽约城市大学的理论家路易斯·安科多基及其同事是第一个指出巧合的人。他们建议,数百万年来,遍布地球的右旋中微子已被地球引力挖出,此后便一直潜伏在行星内部。他们还预测这些暗物质粒子偶尔会衰减为希格斯玻色子和tau中微子对,从而产生ANITA信号。安科多基说:“ANITA的能量正是这些家伙所预测的能量,那真是太神奇了。”这是一种具体的定量预测,并且得到了实验的支持,这在粒子物理学中现在是罕见的事情。

但是,如果这个想法的前提是正确的,那么就为我们所知道的宇宙带来了麻烦。大爆炸发生后的最初瞬间,保持CPT对称性的结果是,我们的宇宙将包含等量的物质和反物质。臭名昭著的是,这两个人没有相处,并且会很快相互消灭,只留下能量。今天,物质远远超过反物质的事实使许多宇宙学家认为,CPT对称性并不总是像现在这样严格地遵守。通过加倍考虑其无误,安科多基及其同事面临一个主要问题:我们的宇宙甚至如何存在?

事实证明,答案就在于CPT的对称性本身,令人难以置信。为了理解它,请考虑我们所知道的最基本的粒子过程之一:在强电场存在下电子及其反物质对应物正电子的产生。但是,严格遵守CPT对称性,还有另一种观察方法:正电子是一种电子,它会及时向后移动直到产生电场的瞬间,然后又转过来随时间向前移动。听起来很奇怪,但这两种描述完全相同,无法找出哪个是“真实的”。

尼尔·图罗克的非凡预测是,我们的宇宙发生了类似的事情。大爆炸的传统观点是,这是单个宇宙几乎完全没有反物质的创造时刻。但是要保持CPT的对称性,那么大爆炸将不得不创建两个平行的宇宙,其中大部分物质汇入一个,即我们的,而大多数反物质都集中在另一个。在另一个宇宙中,一切都将是颠倒的,并且是从前到后的,并且它可能包含的任何恒星或行星都是由反物质而不是物质组成。更令人惊讶的是,这个反宇宙将在时间上向着大爆炸收缩,而不是向大爆炸扩展。

转头

至少,从我们的角度来看,这就是它的样子。正如CPT的对称性表明正电子在时间上向前传播等同于电子在时间上向后传播一样,我们对反宇宙相对论的印象也是如此。对于反宇宙的居民来说,是我们的宇宙颠倒了,朝着巨大的爆炸收缩,并充满了“错误”的物质。我们不知道我们在哪个宇宙中,只是相对而言,另一个宇宙是倒退的。用宇宙的术语来说,这意味着时间不是某些外部观察者强加的箭。它更像是个人的风向标,指向我们的宇宙扩展的方向。

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ANITA在2016年发现的一个神秘粒子可能是平行宇宙的证据

这与现有的宇宙学观点大相径庭,尼尔·图罗克是第一个承认存在一两个松散末端的人。但他相信,他和其他人将能够解决剩余的难题,而无需任何新的解决方案。他说:“如果可以的话,就不会再有竞争了。我们的理论将比其他任何事物都更好。”

然而,作品中可能有扳手。如果ANITA确实捕获了反宇宙想法所预测的右旋中微子,则常识表明其他中微子观测站也应该捕获了它。去年年底,邻近的IceCube实验,不断观察中微子通过立方公里的南极冰层爆炸产生的光的闪烁,宣布没有发现来自该方向的高能中微子。

这不是反宇宙的杀手。安科多基指出,高能的tau中微子的轨迹可能被误认为是低能的μon中微子的轨迹,IceCube发现了其中的至少一个。这是一个有争议的观点,但它表明ANITA和IceCube可能都已经为平行宇宙发现了诱人的证据。

这个反宇宙将在时间上向后收缩

也有许多其他途径可以提供支持。反宇宙的想法预测,大爆炸应该不会产生原始的引力波。许多宇宙学家正在追捕但未能发现的时空涟漪。它预测这三个中微子中最轻的实际上是无质量的,尼尔·图罗克认为这一发现可以在未来五到十年内得到证实。正是通过诸如此类的艰难预测,反宇宙的想法才能生存或消亡。他说:“我们束手无策。”

同时,焦点又回到了南极,并且有可能捕获更多从地面爆炸的大质量粒子。自ANITA的第四次飞行悄悄降落到现在已经三年了,目前仍在对最新数据进行分析。

高汉姆不愿预览内容,他说:“我们还不知道如何代表它,但是我们有一些东西。”

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