时间倒流的反宇宙

南极是地球上最冷的地方，对于普通人来说，无异于人间地狱，但对于物理学家来说，南极却是天堂。那里不仅空气污染少，而且无线电噪声也少，是探测来自宇宙的粒子的理想之地。

自2014年以来，美国宇航局的 南极脉冲瞬态天线（简称ANITA）”项目一直在那里进行探测来自宇宙深空的高能中微子的实验。

在南极探测中微子

地球不断受到宇宙射线的轰击，其中一些粒子的能量是我们最强大的粒子加速器所能产生的能量的一百万倍之多。宇宙学家很想知道这些超高能量的宇宙射线来自哪里。但这个问题很难回答，因为这些射线的轨迹被银河系的磁场扭曲，使得我们几乎无法追踪它们的起源地。

幸运的是，无论什么东西产生超高能的宇宙射线，几乎总是伴随着另一种粒子——中微子。由于没有电荷，中微子不受磁场的干扰，能以直线在宇宙中飞行。因此，定位了中微子的起源地，也就意味着锁定了宇宙射线的来源。

但中微子却是一种极难探测的粒子。它非常孤僻，跟其他粒子既没有电磁力作用，也没有强核力作用，仅有弱核力作用，因此它跟普通物质相互作用的概率非常低。譬如虽然在我们身边，每秒钟都有数以亿计的太阳中微子穿过，但我们一点都感觉不到。实验上，为了提高中微子探测的概率，需要动用巨量的探测材料。例如，埋在南极地下的中微子探测器“冰立方”，就动用了几十万个游泳池大小的南极冰川。

位于南极的美国宇航局的“南极脉冲瞬态天线（简称ANITA）”项目

与埋在地下的“冰立方”不同，ANITA利用氦气球将高度灵敏的探测仪器送到南极上空大约35千米的位置，然后每月扫描一次近百万平方千米的冰冻地面，来捕捉中微子这位宇宙“隐身人”。当一个高能中微子射入南极冰层，如果它非常幸运地与其中一个水分子相互作用，就会产生一系列带电粒子，并发出无线电波。如果ANITA检测到从冰面发出的这些无线电波，研究人员就能确定该中微子的入射方向，从而反推出它在宇宙中的来源地。

中微子从地下冒出来

然而，怪事就这样发生了。2016年，ANITA检测到来自冰面的一个高能中微子信号。但根据它的入射方向判断，它不是从南极上空自上而下射入的，而是自下而上从地底下冒出来的！2018年，这样的怪事又发生了一次。而且这个中微子携带的能量大得惊人，达到（2-10）×108 GeV ，相當于质子质量的2亿到10亿倍。

地球内部的任何放射性元素显然是制造不出如此高能量的中微子的，所以它们只能是来自地球另一头的天空，穿透地球之后被南极冰川捕捉到的。对于低能量的中微子，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，几乎是办不到的，何况这样的事情在短短两年内还发生了两次。

物理学家绞尽脑汁，试图解释这一神秘的现象，但最后不得不承认，他们解释不了。

俗话说，非常之事需要非常之手段。最近，加拿大宇宙学家尼尔·图罗克提出一个令人震惊的猜想：这两个高能中微子也许就是我们“众里寻他千百度”的暗物质粒子，而它们又预示着存在一个与我们的宇宙在各方面都对称的“反宇宙”，那里甚至连时间都是倒着流的！

暗物质、镜像宇宙、时间倒流，图罗克的猜想几乎把当前物理学、宇宙学上的热点问题都囊括尽了。那么，这些热点问题是怎么被他关联起来的呢？请听我从头道来。

物理学上的对称

图罗克原先的工作其实与ANITA项目所从事的中微子探测相去甚远，他研究的是宇宙大爆炸早期的情况。

ANITA利用氦气球将探测仪器送到南极上空大约35千米的位置，每月扫描一次近百万平方千米的冰冻地面。

我们对大爆炸之后宇宙的早期情况知之甚少。原因是，早期宇宙中物质密度太大，光子的能量太高。光子在传播过程中，很容易被其他粒子俘获，因此传播不远。这意味着早期宇宙对于我们是一团漆黑的。直到宇宙冷却到一定程度，才开始变得透明起来。我们所谓的“宇宙中第一束光”——微波背景辐射，就是在那个时候发出来的，但那已经是大爆炸之后差不多40万年了。所以，对于早期的宇宙，我们几乎一点观测信息都得不到，只能完全凭想象。

在这样一团漆黑的领域里搞科学研究，总要求助点指南之类的东西，来个摸着石头过河。什么可作为可靠的指南呢？图罗克想到了对称性。

所谓的对称，在物理学上的含义比几何学上要宽泛得多。几何学上的对称，单单指的是图形对称。而物理学上的对称，指的是物理规律在某些变换下保持不变的意思。譬如，物理规律不随空间地点的改变而改变，牛顿定律不仅在牛顿的故乡英国成立，在中国、美国都成立，这叫“空间平移变换不变性”。物理规律不随时间的改变而改变，今天成立，昨天成立，明天也成立，这叫“时间反演变换不变性（T变换不变性）”。再比如，仅仅改变一个球的颜色，它对地球引力的反应不受影响。假如取个名，也可以叫做“颜色变换不变性”。

在我们看来，这些对称性似乎都是理所当然的。要是哪一天在美国成立的物理定律，到了中国就不成立了，或者某个物理定律像隔夜菜一样，隔了一天就变“馊”了，那倒是奇怪了。

CPT守恒

在粒子物理学上，还有两个比较特殊的对称。一个叫宇称变换不变性（P守恒），一个叫电荷共轭变换不变性（C守恒）。

宇称（P），又叫“左右对称”或“镜像反演”。“ 宇称变换不变性（宇称守恒）”的意思是，把涉及物體的所有位置和方向都像在镜子里一样翻转，物理过程和物理规律保持不变。例如，一个小球向右运动，它遵从牛顿运动定律。假如我们放一面镜子，在镜像世界里做这个实验——你或许会好奇地问：我们怎么到镜像世界去做实验呢？其实，不必跑到镜子里去，只要把实验装置都按镜像所显示的那样去安排就是了——小球则向左运动。但像向右运动的小球一样，向左运动的小球，也遵从牛顿运动定律。

电荷共轭（C）不变性指的是把一个带电粒子的电荷反个号，把它变成它的反粒子，物理规律和物理过程保持不变。比如，氢原子由中心的一个质子和核外运动的一个电子组成。质子带正电，电子带负电。假如对氢原子进行电荷共轭操作，它就变成了由一个反质子和一个正电子组成的反氢原子。反质子带负电，正电子带正电。电荷共轭不变性意味着，氢原子和反氢原子的能谱、化学性质等都完全相同。

许多人或许以为，P守恒和C守恒也是理所当然的，但事实上，在微观世界，这两种守恒并不严格成立。宇称不守恒最早是由李政道和杨振宁提出，并由吴健雄通过实验证实的。这一发现在1950年代曾经轰动了国际物理学界。

宇称和电荷共轭的不守恒，让物理学家深感沮丧。但他们又想，虽然C和P单独都不守恒，但组合起来CP变换或许还是可以保持守恒的呢。要是CP守恒，意味着把一个物理过程中涉及的位置和方向都像在镜子里一样翻转，然后把带电粒子变成它的反粒子，物理规律和物理过程保持不变。但他们连这点安慰都没得到。1964年的一项实验证明，CP守恒是不成立的。

物理学家不死心，再在CP变换中加入一个时间反演变换T，他们想，虽然CP变换不守恒，但 CPT变换或许是守恒的。CPT守恒意味着把左变成右，用反粒子代替粒子，并颠倒时间的流向，那么变换后的物理过程仍然遵守我们的物理定律。

这一次，没让他们失望。迄今，还没有发现一例是违反CPT守恒的。CPT守恒被认为是粒子物理学上最完美、最深刻的定律之一。

探测到的是暗物质粒子？

图罗克研究早期宇宙所求助的“指南”就是CPT守恒。

在大爆炸中同时诞生了两个宇宙——我们的宇宙和它在做了CPT变换之后的反宇宙。大部分物质被输送到我们的宇宙，而大部分反物质则被输送到了反宇宙。

2018年，图罗克和他的同事发现，如果CPT守恒在宇宙的最早期也成立的话，那么这个对称性对在大爆炸中产生的各种粒子类型和数量都会有一个严格的限制。

这个限制涉及一种未知的中微子。我们迄今发现的中微子有三种：e型中微子、μ型中微子和τ型中微子。这些中微子质量都很轻，而且都是左旋的。左旋的意思是：伸出你的左手，竖起大拇指指向中微子的运动方向，那么另外四指握拳，指尖所指就是它的自旋方向。

粒子物理学的标准模型认为，只存在这三种中微子，但有别的理论预言还存在第四种中微子——一般称作“惰性中微子”。这种中微子是右旋的，而且质量应该很重——只是到底有多重，并没有一个确切的说法。

小贴士

如何进行时间反演操作你或许会好奇地问：在实验上如何安排时间反演操作呢？

直接去逆转时间的流向，当然是办不到的。但好在很多物理量涉及时间，譬如速度和加速度。由于速度与时间的变化量ΔT成反比，而加速度与ΔT的平方成反比，所以时间反演之后，速度反向，但加速度的方向却保持不变。

因此，对一个向右加速运动的物体进行时间反演操作，就意味把让这个物体向左做减速运动（前一过程，速度和加速度同向，所以加速;后一过程，速度和加速度反向，所以减速）。对一个越跑越快的人进行时间反演操作，就是让他退着跑，越跑越慢。跟电影倒着放是一回事。

在我们的宇宙中，反物质在哪里？

现在，由于惰性中微子的数量已经被CPT守恒所限制，图罗克他们发现，如果把它的质量调得恰到好处，就可以把它们当作宇宙中迄今失踪的那部分质量，而这部分失踪的质量正是暗物质所扮演的角色。换句话说，惰性中微子可能就是我们梦寐以求的暗物质粒子。

计算表明，倘若惰性中微子是暗物质粒子，它的质量应该是大约5×10⁸GeV ，相当于质子质量的5亿倍。

还记得前面提到ANITA探测到的两个高能中微子的能量吗？它们相当于质子质量的2亿到10亿倍，而现在理论上计算得到的惰性中微子质量正好落在这个范围之内。所以，图罗克声称，ANITA探测到的高能中微子不是别的，很可能就是暗物质粒子。

时间倒流的反宇宙

可是，且慢！——古人说书的时候，每讲到精彩之处，总要来句“且慢”，咱也不能免俗。且慢！这里还有一个大问题。当图罗克将CPT对称性应用于早期宇宙的时候，还附带产生一个结论：我们的宇宙应该包含同等数量的物质和反物质。

可是，这个“应该”显然违反事实。因为众所周知，在我们宇宙中，物质的数量大大超过反物质的数量。如果两者数量相等，那么正反物质早就湮灭干净，不会有我们今天的宇宙存在了。而且，当初也正是基于这样一个事实，让很多宇宙学家倾向于认为宇宙早期CPT变换是不守恒的。所以，当图罗克声称南极发现的中微子是暗物质粒子的时候，他得先告诉我们：我们这个物质占统治地位的宇宙是怎么来的？

这又是宇宙学上的一个大难题，至今困扰着许多人。但图罗克并没有被吓倒，倒是激发他做出一个更加大胆的猜想：为了使CPT对称性得以保持，大爆炸的时候必定同时创造了两个平行的宇宙——一个是我们的宇宙，另一个是它在做了CPT变换之后的反宇宙。大部分物质被输送到我们的宇宙，而大部分反物质则被输送到了反宇宙。在反宇宙中，恒星或行星都是由反物质构成的。

做这样的猜想的好处是，虽然在我们的宇宙中，物质和反物质是不对称的，但是如果把宇宙和反宇宙合起来考虑，那么两者还是对称的。

拓展阅读

其他几种类型的平行宇宙

CPT对称的宇宙只是物理学家提出的众多类型平行宇宙中的一种。其最特别之处是在另一个宇宙，时间是倒着流的。除此之外，至少还有四种类型的平行宇宙，它们的含义都不一样。

第一种平行宇宙是说，既然我们的宇宙正处于膨胀中，那么我们的宇宙之外是什么呢，如果說外面空无一物，显然不太让人信服，因此就引出了一种假说，认为在宇宙之外还有其它的平行宇宙，它们也处在膨胀中。

第二种平行宇宙是说，宇宙在大爆炸之后不久，即发生了一次暴胀。暴胀使得我们所在的这部分宇宙与其他部分迅速分开，失去联系。于是，每一块都相当于一个独立的“气泡宇宙”。它们彼此构成平行宇宙。

第三种平行宇宙是弦理论预言的。弦理论说，存在着更高维度的空间，而我们这个三维空间的宇宙，其实不过是一张飘在更高维度空间的“膜”。这样的膜宇宙还有很多，它们构成了平行宇宙。在每个宇宙中，基本物理学常数（像光速、引力常数等）和物理规律很可能都是不一样的。

第四种是量子力学框架下的平行宇宙。这也是我们平常说得最多的平行宇宙。

在微观世界，粒子的行为是非常诡异的，它可以同时既这样，又那样。量子力学用“波函数”来描述粒子的这种模棱两可的行为。一个粒子的所有信息都包含在它的波函数中。你可以用波函数可靠地计算出，它处于某种特定状态的概率有多大。

按量子力学正统的解释，一旦你去测量，粒子的波函数瞬间就“坍缩”了。于是，粒子从众多可能性中选择了一种呈现给我们。但波函数坍缩太神秘了，到底是怎么回事，谁也说不清楚。

后来，美国物理学家休·埃弗雷特提出，波函数坍缩是不必要的假设。按他的观点，当对粒子进行测量时，宇宙就会瞬间分裂成若干个宇宙， 这个宇宙的数量与波函数所包含的可能数量相当——连同进行测量的仪器、人以及其他一切，在每个宇宙中都有其副本——而波函数所包含的所有可能性都会在不同的世界中成为现实。

比如说，粒子的状态有两种可能：衰变/没衰变。现在你去测量它有没有衰变，测得结果是它衰变了。但这个结果仅仅发生在我们这个世界，在另一世界，粒子选择呈现的却是另一种结果——没衰变。只是在测量时，那个世界与我们的世界分道扬镳了。所以，在另一个世界，存在着另一个你，另一套测量仪器，测量到的结果是粒子没有衰变。推而广之，对任何粒子做的任何一次测量，都会造成世界的一次新的分裂。这些因测量而产生的世界，构成了平行宇宙。

根据P变换的要求，反宇宙跟我们的宇宙互为镜像，譬如我们这里现有的三种中微子是左旋的，但是它们在反宇宙中对应的粒子都是右旋的。

更令人惊讶的是，根据时间反演T变换的要求，这个反宇宙在时间上是倒着走的，我们的宇宙在大爆炸之后是不断向外膨胀的，而反宇宙在我们看来，在大爆炸之后是不断往回收缩的。

如何理解反宇宙？

不过，且慢！这不是很奇怪吗？首先，反宇宙刚刚从大爆炸中诞生，还没有伸展开腿脚，就缩回去了，这跟压根儿没有诞生岂不是一回事？其次，难道在反宇宙中，因果关系是颠倒过来的吗？

没错，按一般人的看法，反宇宙确实是太不可思议了。不过，这一切显得荒诞，仅仅是因为我们以我们宇宙的时间观来看。在反宇宙中的人看来，一切完全正常：他们的宇宙也在膨胀着，因果关系也跟我们这里一样。相反，在他们看来，我们的宇宙倒是在不断往回收缩。

总之，按图罗克的说法，从一个宇宙看另一个宇宙是没有意义的，因为各自的时间流向不同。两个宇宙并没有一个统一的时间箭头。所以，我们不应该推己及人，以一个宇宙中的时间观去看待另一个宇宙中发生的事情，否则会闹出跟下面这个故事中类似的笑话：一个小孩子坐在火车上，看到道旁的树不停往后跑，于是问妈妈：“妈妈，你不是说树没有脚的么，它们怎么会往后跑？”

这样一个奇怪的反宇宙，跟我们的宇宙只有一个交点，那就是大爆炸的奇点。可是奇点是两个宇宙中的任何物质都穿越不过去的，所以别指望反宇宙能给我们捎来信息，“嗨，我们来自反宇宙。”

这样一来，这个猜想岂不既无法证实，也无法证伪了？别急，反宇宙本身确实是难以验证的，但图罗克的理论还产生了几个附加的结论，而它们是可以用实验验证的。

第一个预言是，大爆炸没有产生原始的引力波。按标准的大爆炸理论，大爆炸会产生最早的时空涟漪——引力波，只是迄今宇宙学家并未发现。

第二个预言是，现有三种中微子中最轻的一种，即e型中微子，实际上是没有质量的。目前，我们只知道e型中微子质量非常小，但还不至于认为它的质量为零。

所以，倘若这两个预言兑现了，那么这个存在反宇宙的观点也许会更加可信，否则它也会像物理学中的许多时髦理论一样，只是旋生旋灭的小浪花而已。