假如时间可以倒流
时间倒流的反宇宙
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来源：《科学之谜》2021年第09期
        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。
        地球不斷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。
        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。
        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 ，相当于质子质量的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。
        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。
        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，它对地球引力的反应不受影响。假如取个名，也可以叫做“颜变换不变性”。
        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。
        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，把涉及物体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鏡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。