疯狂的新理论:大爆炸之前可能存在一个时间倒流的孪生宇宙

2022/3/21 10:40:34 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

北京时间 3 月 21 日消息,据国外媒体报道,一个疯狂的新理论认为,大爆炸之前可能存在着另一个时间倒流的“反宇宙”,而这个“反宇宙”或许可以解释暗物质和宇宙暴胀。

该理论认为,早期宇宙极小、极热、密度极大,而且如此均匀,以至于其前后时间看起来都是对称的。如果该理论成立,那将意味着暗物质并不是现在看起来的那么神秘,而只是中微子的一种新的“味”。中微子又被称为“幽灵粒子”,只能存在于这样的宇宙中;而中微子的味代表了其不同的量子数,现在已知有三种味的中微子:电中微子、μ 中微子和 τ 中微子。该理论还暗示,大爆炸后不久可能并不需要所谓的“暴胀”时期,使年轻宇宙的体积迅速扩大。

如果确实如此,那么未来科学家有望通过寻找引力波或确定中微子质量的实验,一劳永逸地回答镜像“反宇宙”是否存在的问题

保持对称

物理学家已经在自然界中发现了一些基本的对称性。其中,最重要的三种对称是:电荷(如果将参与相互作用的所有粒子的电荷翻转为相反的电荷,结果仍将是相同的相互作用);宇称(观察相互作用的镜像,会得到相同的结果);时间(如果在时间上反演某个相互作用,它看起来是一样的)。

物理学上的相互作用在大多数时候都符合这些对称性,但也会出现例外。不过,物理学家从未观察到这三种对称同时被破坏的情况。如果你将自然界中观察到的每一种相互作用的物理量,包括电荷(C)、时间(T)和宇称(P),一起进行反向翻转,会发现这些相互作用的行为完全相同。

这组基本对称被称为 CPT 对称。在最近被《物理年鉴》(Annals of Physics)杂志接受发表的一篇新论文中,研究作者提议对这组对称进行扩展。通常情况下,CPT 对称只适用于相互作用,即构成宇宙物理的力和场。但如果这是一种非常重要的对称性,那它可能适用于整个宇宙本身。换句话说,这个提议是将这种对称性从适用于宇宙的“演员”(力和场)扩展到“舞台”本身,即宇宙的整个物理对象。

暗物质的产生

我们生活在一个不断膨胀的宇宙中。这个宇宙充满了大量粒子,发生着无数有趣的变化,而宇宙也随着时间的推移而向前不断演化。如果我们将 CPT 对称的概念扩展到整个宇宙,那么我们目前对宇宙的了解可能就很不完整了。

因此,为了在整个宇宙中保持 CPT 对称,就必须有一个镜像宇宙来平衡我们所处的这个宇宙。这个宇宙拥有相反的电荷,与我们的宇宙镜像翻转,并且在时间上反演。可以说,这是我们所处宇宙的“孪生宇宙”,而且这两个宇宙都遵循 CPT 对称。

研究人员接下来的问题是,如果存在这样一个宇宙,会导致什么结果呢?他们有了许多奇妙的发现。

首先,一个遵循 CPT 对称的宇宙会自然地膨胀,并充满粒子,而不需要所谓的“暴胀”时期。暴胀理论最早于 1980 年由美国物理学家阿兰・古斯提出,指的是早期宇宙一段空间膨胀呈加速度状态的过程。尽管有很多证据表明,像暴胀这样的事件可能确实发生过,但对该过程的理论描述却非常模糊,以至于科学家还有足够的余地提出可行的替代方案。

其次,一个遵循 CPT 对称的宇宙会增加一些额外的中微子。一个让科学家感到困惑的问题是,三种已知的中微子(电中微子、μ 中微子和 τ 中微子)都是左旋的(指其自旋相对于其运动的方向)。物理学已知的所有其他粒子都有左旋和右旋的变体,因此物理学家们一直想知道是否存在右旋中微子。

一个遵循 CPT 对称的宇宙需要至少存在一种右旋中微子。但在物理实验中,我们基本上看不到这种中微子,它只会通过引力影响宇宙的其他部分。一种不可见的粒子充斥宇宙,并且只通过引力相互作用,这听起来很像暗物质。

研究人员发现,遵循 CPT 对称的条件会使我们的宇宙充满右旋中微子,这可能就足以解释暗物质的存在。

镜像宇宙的预言

我们永远无法接触到这个“孪生宇宙”,或者说 CPT 镜像宇宙,因为它存在于大爆炸“之后”,我们的宇宙开始之前。但是,这并不意味着我们不能验证这一想法。

研究人员发现,一些观察结果或许能支持这个想法。首先,他们预测,已知的 3 种左手性中微子应该都是马约拉纳粒子,意味着它们都是自己的反粒子(这与电子等普通粒子不同,电子具有对应的反物质,称为正电子)。就目前而言,物理学家还不确定中微子是否具有这种特性。

此外,他们预测其中一种中微子应该是无质量的。目前,物理学家只能对中微子的质量设定上限。如果他们最终能够测量中微子的质量,而且其中一种中微子确实是无质量的,那将极大地支持 CPT 对称宇宙的观点。

最后,在这个模型中,暴胀事件从未发生过。相反,宇宙本身充满了粒子。物理学家认为,暴胀极大地震动了时空,以至于引力波充斥整个宇宙。许多实验都在寻找这些原始的引力波。但在 CPT 对称宇宙中,不应该存在这样的引力波。因此,如果那些对原始引力波的搜索结果最终毫无收获,那可能就意味着 CPT 镜像宇宙模型是正确的。

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