物理学家认为：我们的宇宙中存在另一个孪生宇宙

张永峰

我们的宇宙可能有一个“倒转”双胞胎，即一个大爆炸前的宇宙，其中所有电荷、相互作用和时间都被镜像。
这个理论现在由物理学家提出，听起来很奇特，但可以澄清宇宙学和粒子物理学中的一些悬而未决的问题，包括暗物质、“失踪”的反物质和左旋中微子的奥秘。
根据大多数理论，大爆炸是一切的开始，但这提出了一些问题。
所以他没有解释为什么物质在我们的宇宙中比反物质占主导地位，为什么物质和辐射莫名其妙地均匀分布，最后但并非最不重要的，是什么可能引发了大爆炸。
因此，长期以来一直有物理学家假设在我们的宇宙之前存在一个循环宇宙。



在大爆炸的另一边，可能存在一个符号反转、时间倒退的镜像宇宙——至少这是一些理论物理学家所怀疑的

宇宙作为一个整体 CPT 是对称的吗？

与加拿大周界理论物理研究所的 Neil Turok 合作的物理学家，现在正在为这种“大反弹”提供新的论据。
他们研究了如果将粒子和力的标准模型的对称规则，扩展到整个宇宙会发生什么。
根据这些规则，所有相互作用和粒子在电荷、时间和宇称——空间配置和相互作用方面都是对称的。
具体而言，这意味着对于每个粒子，都有一个与其相似的对应物，就像镜像一样。
如果时间倒流，这个粒子的相互作用也会像镜像一样运行。
但是，如果这种所谓的 CPT 对称性也适用于我们的整个宇宙及其自大爆炸以来的发展呢？
时空本身也可以被反射，而不仅仅是我们宇宙中的力和粒子。
大爆炸是两个镜像宇宙之间的边界

如果真是这样，那么这将产生一个至关重要的后果：“大爆炸之前的宇宙和大爆炸之后的宇宙可以被视为一对宇宙和反宇宙，”图罗克和他的团队解释道。
大爆炸将不仅是我们宇宙的开端，而且也是它的镜像对应物的开端，一种具有反转史前史和逆向运行时间的孪生宇宙。
两个孪生宇宙一起将遵守 CPT 对称性的所有规则。
同时，这可以澄清当前宇宙学模型的一些不一致和悬而未决的问题：“我们认为这种情况描绘了一幅有吸引力且非常经济的新图景，可以解释我们宇宙的一系列关键特征，”物理学家说。
反物质缺乏和平等问题的解释

这方面的一个例子：到目前为止，完全不清楚为什么反物质在我们的宇宙中占主导地位，因为两者在大爆炸期间一定是以完全相同的比例产生的。
然而，如果有一个镜像宇宙，那么这种明显的对称性破坏就会自我平衡：
“虽然宇宙在大爆炸之后有轻微过剩的物质，但在大爆炸之前宇宙中有轻微过剩的反物质，”图罗克和他的同事说，这恢复了整体对称性。



大爆炸只是形成了两个镜像宇宙之间的边界吗？

镜像宇宙的存在也可以阐明，我们的宇宙如何能够如此迅速地变得如此庞大和均匀的问题。
到目前为止，已经尝试用宇宙膨胀来解释这一点，宇宙膨胀是一种假设的宇宙在大爆炸期间的超光速膨胀。
然而，如果这种推力确实存在，它实际上应该引起时空湍流，这会在宇宙背景辐射和原始引力波中留下痕迹。
然而，到目前为止，尽管进行了大量搜索，天文学家仍无法证明这种暴胀遗迹。
但是，如果大爆炸只是两个镜像宇宙之间的一个转折点，那么就不需要暴胀，就像图罗克和他的同事们所说的那样。
相反，这种转变中涉及的物理过程将提供解释。
“早期宇宙的简单结构和内容等某些方面可以用 CPT 对称性来解释，”物理学家说。
中微子自旋问题的解决方案

还有一点：目前还不清楚为什么我们的宇宙中似乎只有“左手”--中微子。
对于所有其他基本粒子，都有与自旋相关的右手和左手变体。
然而，在三种已知的中微子类型的情况下，自旋只会相对于它们的运动方向向左旋转。
现在，如果宇宙本身是 CPT 对称的，那么也应该有右手中微子。
正如物理学家报告的那样，情况也是如此。
根据他们的计算，在 CPT 对称宇宙中应该也出现了三种右旋中微子。
这些将比以前已知的形式更重，并且只有其中一种足够强大，可以存在到今天。
物理学家解释说：“宇宙处于 CPT 不变状态这一事实，意味着这种中微子的丰度必须非零。”
右旋中微子作为暗物质粒子？

有趣的是，稳定这种重右手中微子的过程也使它对我们的探测器不可见。
它应该只通过重力与正常物质相互作用。
然而，这个假设的中微子准确地显示了暗物质粒子的特征。
事实上，有一些假设认为这个粒子可能是一个“无菌”的中微子。
“三个右手中微子中的一个因此成为暗物质的良好候选者，”图罗克和他的同事说。
根据他们的计算，如果这种中微子的质量为 4.8 x 10<sup>8<sup> 千兆电子伏特，则可以解释暗物质的密度。
然而，大多数天体物理学家目前认为这种暗物质重粒子不太可能出现。
相反，优先考虑比已知中微子轻的暗物质粒子。
如何证明镜像宇宙？

镜像宇宙的想法仍然只是一种物理理论——直接证明这个我们无法企及的孪生宇宙是不可能的。
但 Turok 和他的同事们至少列举了一些可以证明 CPT 对称宇宙的可实验验证的证据：
如果以前已知的中微子之一被证明是无质量的，那么根据他们的说法，这将是一个迹象，
如果中微子也是如此原来是马约拉纳粒子将被证明是作为它们自己的反粒子的粒子。
正如物理学家解释的那样，如果尽管进行了优化搜索，但没有检测到原始引力波，这可能是另一个线索。
他们现在想要进一步制定他们的 CPT 对称宇宙模型，并更清楚地了解这将对我们的宇宙学产生什么影响。
<hr/>参考资料：
美国物理学会