時間倒流的反宇宙

南極是地球上最冷的地方，對于普通人來說，無異于人間地獄，但對于物理學家來說，南極卻是天堂。那里不僅空氣污染少，而且無線電噪聲也少，是探測來自宇宙的粒子的理想之地。

自2014年以來，美國宇航局的 南極脈沖瞬態天線（簡稱ANITA）”項目一直在那里進行探測來自宇宙深空的高能中微子的實驗。

在南極探測中微子

地球不斷受到宇宙射線的轟擊，其中一些粒子的能量是我們最強大的粒子加速器所能產生的能量的一百萬倍之多。宇宙學家很想知道這些超高能量的宇宙射線來自哪里。但這個問題很難回答，因為這些射線的軌跡被銀河系的磁場扭曲，使得我們幾乎無法追蹤它們的起源地。

幸運的是，無論什么東西產生超高能的宇宙射線，幾乎總是伴隨著另一種粒子——中微子。由于沒有電荷，中微子不受磁場的干擾，能以直線在宇宙中飛行。因此，定位了中微子的起源地，也就意味著鎖定了宇宙射線的來源。

但中微子卻是一種極難探測的粒子。它非常孤僻，跟其他粒子既沒有電磁力作用，也沒有強核力作用，僅有弱核力作用，因此它跟普通物質相互作用的概率非常低。譬如雖然在我們身邊，每秒鐘都有數以億計的太陽中微子穿過，但我們一點都感覺不到。實驗上，為了提高中微子探測的概率，需要動用巨量的探測材料。例如，埋在南極地下的中微子探測器“冰立方”，就動用了幾十萬個游泳池大小的南極冰川。

位于南極的美國宇航局的“南極脈沖瞬態天線（簡稱ANITA）”項目

與埋在地下的“冰立方”不同，ANITA利用氦氣球將高度靈敏的探測儀器送到南極上空大約35千米的位置，然后每月掃描一次近百萬平方千米的冰凍地面，來捕捉中微子這位宇宙“隱身人”。當一個高能中微子射入南極冰層，如果它非常幸運地與其中一個水分子相互作用，就會產生一系列帶電粒子，并發出無線電波。如果ANITA檢測到從冰面發出的這些無線電波，研究人員就能確定該中微子的入射方向，從而反推出它在宇宙中的來源地。

中微子從地下冒出來

然而，怪事就這樣發生了。2016年，ANITA檢測到來自冰面的一個高能中微子信號。但根據它的入射方向判斷，它不是從南極上空自上而下射入的，而是自下而上從地底下冒出來的！2018年，這樣的怪事又發生了一次。而且這個中微子攜帶的能量大得驚人，達到（2-10）×108 GeV ，相當于質子質量的2億到10億倍。

地球內部的任何放射性元素顯然是制造不出如此高能量的中微子的，所以它們只能是來自地球另一頭的天空，穿透地球之后被南極冰川捕捉到的。對于低能量的中微子，做一次穿透地球的旅行是稀松平常的事，但能量如此高的中微子要穿透地球，幾乎是辦不到的，何況這樣的事情在短短兩年內還發生了兩次。

物理學家絞盡腦汁，試圖解釋這一神秘的現象，但最后不得不承認，他們解釋不了。

俗話說，非常之事需要非常之手段。最近，加拿大宇宙學家尼爾·圖羅克提出一個令人震驚的猜想：這兩個高能中微子也許就是我們“眾里尋他千百度”的暗物質粒子，而它們又預示著存在一個與我們的宇宙在各方面都對稱的“反宇宙”，那里甚至連時間都是倒著流的！

暗物質、鏡像宇宙、時間倒流，圖羅克的猜想幾乎把當前物理學、宇宙學上的熱點問題都囊括盡了。那么，這些熱點問題是怎么被他關聯起來的呢？請聽我從頭道來。

物理學上的對稱

圖羅克原先的工作其實與ANITA項目所從事的中微子探測相去甚遠，他研究的是宇宙大爆炸早期的情況。

ANITA利用氦氣球將探測儀器送到南極上空大約35千米的位置，每月掃描一次近百萬平方千米的冰凍地面。

我們對大爆炸之后宇宙的早期情況知之甚少。原因是，早期宇宙中物質密度太大，光子的能量太高。光子在傳播過程中，很容易被其他粒子俘獲，因此傳播不遠。這意味著早期宇宙對于我們是一團漆黑的。直到宇宙冷卻到一定程度，才開始變得透明起來。我們所謂的“宇宙中第一束光”——微波背景輻射，就是在那個時候發出來的，但那已經是大爆炸之后差不多40萬年了。所以，對于早期的宇宙，我們幾乎一點觀測信息都得不到，只能完全憑想象。

在這樣一團漆黑的領域里搞科學研究，總要求助點指南之類的東西，來個摸著石頭過河。什么可作為可靠的指南呢？圖羅克想到了對稱性。

所謂的對稱，在物理學上的含義比幾何學上要寬泛得多。幾何學上的對稱，單單指的是圖形對稱。而物理學上的對稱，指的是物理規律在某些變換下保持不變的意思。譬如，物理規律不隨空間地點的改變而改變，牛頓定律不僅在牛頓的故鄉英國成立，在中國、美國都成立，這叫“空間平移變換不變性”。物理規律不隨時間的改變而改變，今天成立，昨天成立，明天也成立，這叫“時間反演變換不變性（T變換不變性）”。再比如，僅僅改變一個球的顏色，它對地球引力的反應不受影響。假如取個名，也可以叫做“顏色變換不變性”。

在我們看來，這些對稱性似乎都是理所當然的。要是哪一天在美國成立的物理定律，到了中國就不成立了，或者某個物理定律像隔夜菜一樣，隔了一天就變“餿”了，那倒是奇怪了。

CPT守恒

在粒子物理學上，還有兩個比較特殊的對稱。一個叫宇稱變換不變性（P守恒），一個叫電荷共軛變換不變性（C守恒）。

宇稱（P），又叫“左右對稱”或“鏡像反演”。“ 宇稱變換不變性（宇稱守恒）”的意思是，把涉及物體的所有位置和方向都像在鏡子里一樣翻轉，物理過程和物理規律保持不變。例如，一個小球向右運動，它遵從牛頓運動定律。假如我們放一面鏡子，在鏡像世界里做這個實驗——你或許會好奇地問：我們怎么到鏡像世界去做實驗呢？其實，不必跑到鏡子里去，只要把實驗裝置都按鏡像所顯示的那樣去安排就是了——小球則向左運動。但像向右運動的小球一樣，向左運動的小球，也遵從牛頓運動定律。

電荷共軛（C）不變性指的是把一個帶電粒子的電荷反個號，把它變成它的反粒子，物理規律和物理過程保持不變。比如，氫原子由中心的一個質子和核外運動的一個電子組成。質子帶正電，電子帶負電。假如對氫原子進行電荷共軛操作，它就變成了由一個反質子和一個正電子組成的反氫原子。反質子帶負電，正電子帶正電。電荷共軛不變性意味著，氫原子和反氫原子的能譜、化學性質等都完全相同。

許多人或許以為，P守恒和C守恒也是理所當然的，但事實上，在微觀世界，這兩種守恒并不嚴格成立。宇稱不守恒最早是由李政道和楊振寧提出，并由吳健雄通過實驗證實的。這一發現在1950年代曾經轟動了國際物理學界。

宇稱和電荷共軛的不守恒，讓物理學家深感沮喪。但他們又想，雖然C和P單獨都不守恒，但組合起來CP變換或許還是可以保持守恒的呢。要是CP守恒，意味著把一個物理過程中涉及的位置和方向都像在鏡子里一樣翻轉，然后把帶電粒子變成它的反粒子，物理規律和物理過程保持不變。但他們連這點安慰都沒得到。1964年的一項實驗證明，CP守恒是不成立的。

物理學家不死心，再在CP變換中加入一個時間反演變換T，他們想，雖然CP變換不守恒，但 CPT變換或許是守恒的。CPT守恒意味著把左變成右，用反粒子代替粒子，并顛倒時間的流向，那么變換后的物理過程仍然遵守我們的物理定律。

這一次，沒讓他們失望。迄今，還沒有發現一例是違反CPT守恒的。CPT守恒被認為是粒子物理學上最完美、最深刻的定律之一。

探測到的是暗物質粒子？

圖羅克研究早期宇宙所求助的“指南”就是CPT守恒。

在大爆炸中同時誕生了兩個宇宙——我們的宇宙和它在做了CPT變換之后的反宇宙。大部分物質被輸送到我們的宇宙，而大部分反物質則被輸送到了反宇宙。

2018年，圖羅克和他的同事發現，如果CPT守恒在宇宙的最早期也成立的話，那么這個對稱性對在大爆炸中產生的各種粒子類型和數量都會有一個嚴格的限制。

這個限制涉及一種未知的中微子。我們迄今發現的中微子有三種：e型中微子、μ型中微子和τ型中微子。這些中微子質量都很輕，而且都是左旋的。左旋的意思是：伸出你的左手，豎起大拇指指向中微子的運動方向，那么另外四指握拳，指尖所指就是它的自旋方向。

粒子物理學的標準模型認為，只存在這三種中微子，但有別的理論預言還存在第四種中微子——一般稱作“惰性中微子”。這種中微子是右旋的，而且質量應該很重——只是到底有多重，并沒有一個確切的說法。

小貼士

如何進行時間反演操作你或許會好奇地問：在實驗上如何安排時間反演操作呢？

直接去逆轉時間的流向，當然是辦不到的。但好在很多物理量涉及時間，譬如速度和加速度。由于速度與時間的變化量ΔT成反比，而加速度與ΔT的平方成反比，所以時間反演之后，速度反向，但加速度的方向卻保持不變。

因此，對一個向右加速運動的物體進行時間反演操作，就意味把讓這個物體向左做減速運動（前一過程，速度和加速度同向，所以加速;后一過程，速度和加速度反向，所以減速）。對一個越跑越快的人進行時間反演操作，就是讓他退著跑，越跑越慢。跟電影倒著放是一回事。

在我們的宇宙中，反物質在哪里？

現在，由于惰性中微子的數量已經被CPT守恒所限制，圖羅克他們發現，如果把它的質量調得恰到好處，就可以把它們當作宇宙中迄今失蹤的那部分質量，而這部分失蹤的質量正是暗物質所扮演的角色。換句話說，惰性中微子可能就是我們夢寐以求的暗物質粒子。

計算表明，倘若惰性中微子是暗物質粒子，它的質量應該是大約5×10⁸GeV ，相當于質子質量的5億倍。

還記得前面提到ANITA探測到的兩個高能中微子的能量嗎？它們相當于質子質量的2億到10億倍，而現在理論上計算得到的惰性中微子質量正好落在這個范圍之內。所以，圖羅克聲稱，ANITA探測到的高能中微子不是別的，很可能就是暗物質粒子。

時間倒流的反宇宙

可是，且慢！——古人說書的時候，每講到精彩之處，總要來句“且慢”，咱也不能免俗。且慢！這里還有一個大問題。當圖羅克將CPT對稱性應用于早期宇宙的時候，還附帶產生一個結論：我們的宇宙應該包含同等數量的物質和反物質。

可是，這個“應該”顯然違反事實。因為眾所周知，在我們宇宙中，物質的數量大大超過反物質的數量。如果兩者數量相等，那么正反物質早就湮滅干凈，不會有我們今天的宇宙存在了。而且，當初也正是基于這樣一個事實，讓很多宇宙學家傾向于認為宇宙早期CPT變換是不守恒的。所以，當圖羅克聲稱南極發現的中微子是暗物質粒子的時候，他得先告訴我們：我們這個物質占統治地位的宇宙是怎么來的？

這又是宇宙學上的一個大難題，至今困擾著許多人。但圖羅克并沒有被嚇倒，倒是激發他做出一個更加大膽的猜想：為了使CPT對稱性得以保持，大爆炸的時候必定同時創造了兩個平行的宇宙——一個是我們的宇宙，另一個是它在做了CPT變換之后的反宇宙。大部分物質被輸送到我們的宇宙，而大部分反物質則被輸送到了反宇宙。在反宇宙中，恒星或行星都是由反物質構成的。

做這樣的猜想的好處是，雖然在我們的宇宙中，物質和反物質是不對稱的，但是如果把宇宙和反宇宙合起來考慮，那么兩者還是對稱的。

拓展閱讀

其他幾種類型的平行宇宙

CPT對稱的宇宙只是物理學家提出的眾多類型平行宇宙中的一種。其最特別之處是在另一個宇宙，時間是倒著流的。除此之外，至少還有四種類型的平行宇宙，它們的含義都不一樣。

第一種平行宇宙是說，既然我們的宇宙正處于膨脹中，那么我們的宇宙之外是什么呢，如果說外面空無一物，顯然不太讓人信服，因此就引出了一種假說，認為在宇宙之外還有其它的平行宇宙，它們也處在膨脹中。

第二種平行宇宙是說，宇宙在大爆炸之后不久，即發生了一次暴脹。暴脹使得我們所在的這部分宇宙與其他部分迅速分開，失去聯系。于是，每一塊都相當于一個獨立的“氣泡宇宙”。它們彼此構成平行宇宙。

第三種平行宇宙是弦理論預言的。弦理論說，存在著更高維度的空間，而我們這個三維空間的宇宙，其實不過是一張飄在更高維度空間的“膜”。這樣的膜宇宙還有很多，它們構成了平行宇宙。在每個宇宙中，基本物理學常數（像光速、引力常數等）和物理規律很可能都是不一樣的。

第四種是量子力學框架下的平行宇宙。這也是我們平常說得最多的平行宇宙。

在微觀世界，粒子的行為是非常詭異的，它可以同時既這樣，又那樣。量子力學用“波函數”來描述粒子的這種模棱兩可的行為。一個粒子的所有信息都包含在它的波函數中。你可以用波函數可靠地計算出，它處于某種特定狀態的概率有多大。

按量子力學正統的解釋，一旦你去測量，粒子的波函數瞬間就“坍縮”了。于是，粒子從眾多可能性中選擇了一種呈現給我們。但波函數坍縮太神秘了，到底是怎么回事，誰也說不清楚。

后來，美國物理學家休·埃弗雷特提出，波函數坍縮是不必要的假設。按他的觀點，當對粒子進行測量時，宇宙就會瞬間分裂成若干個宇宙， 這個宇宙的數量與波函數所包含的可能數量相當——連同進行測量的儀器、人以及其他一切，在每個宇宙中都有其副本——而波函數所包含的所有可能性都會在不同的世界中成為現實。

比如說，粒子的狀態有兩種可能：衰變/沒衰變?，F在你去測量它有沒有衰變，測得結果是它衰變了。但這個結果僅僅發生在我們這個世界，在另一世界，粒子選擇呈現的卻是另一種結果——沒衰變。只是在測量時，那個世界與我們的世界分道揚鑣了。所以，在另一個世界，存在著另一個你，另一套測量儀器，測量到的結果是粒子沒有衰變。推而廣之，對任何粒子做的任何一次測量，都會造成世界的一次新的分裂。這些因測量而產生的世界，構成了平行宇宙。

根據P變換的要求，反宇宙跟我們的宇宙互為鏡像，譬如我們這里現有的三種中微子是左旋的，但是它們在反宇宙中對應的粒子都是右旋的。

更令人驚訝的是，根據時間反演T變換的要求，這個反宇宙在時間上是倒著走的，我們的宇宙在大爆炸之后是不斷向外膨脹的，而反宇宙在我們看來，在大爆炸之后是不斷往回收縮的。

如何理解反宇宙？

不過，且慢！這不是很奇怪嗎？首先，反宇宙剛剛從大爆炸中誕生，還沒有伸展開腿腳，就縮回去了，這跟壓根兒沒有誕生豈不是一回事？其次，難道在反宇宙中，因果關系是顛倒過來的嗎？

沒錯，按一般人的看法，反宇宙確實是太不可思議了。不過，這一切顯得荒誕，僅僅是因為我們以我們宇宙的時間觀來看。在反宇宙中的人看來，一切完全正常：他們的宇宙也在膨脹著，因果關系也跟我們這里一樣。相反，在他們看來，我們的宇宙倒是在不斷往回收縮。

總之，按圖羅克的說法，從一個宇宙看另一個宇宙是沒有意義的，因為各自的時間流向不同。兩個宇宙并沒有一個統一的時間箭頭。所以，我們不應該推己及人，以一個宇宙中的時間觀去看待另一個宇宙中發生的事情，否則會鬧出跟下面這個故事中類似的笑話：一個小孩子坐在火車上，看到道旁的樹不停往后跑，于是問媽媽：“媽媽，你不是說樹沒有腳的么，它們怎么會往后跑？”

這樣一個奇怪的反宇宙，跟我們的宇宙只有一個交點，那就是大爆炸的奇點?？墒瞧纥c是兩個宇宙中的任何物質都穿越不過去的，所以別指望反宇宙能給我們捎來信息，“嗨，我們來自反宇宙。”

這樣一來，這個猜想豈不既無法證實，也無法證偽了？別急，反宇宙本身確實是難以驗證的，但圖羅克的理論還產生了幾個附加的結論，而它們是可以用實驗驗證的。

第一個預言是，大爆炸沒有產生原始的引力波。按標準的大爆炸理論，大爆炸會產生最早的時空漣漪——引力波，只是迄今宇宙學家并未發現。

第二個預言是，現有三種中微子中最輕的一種，即e型中微子，實際上是沒有質量的。目前，我們只知道e型中微子質量非常小，但還不至于認為它的質量為零。

所以，倘若這兩個預言兌現了，那么這個存在反宇宙的觀點也許會更加可信，否則它也會像物理學中的許多時髦理論一樣，只是旋生旋滅的小浪花而已。