孙壮叔
1908年夏季的某个夜晚,西伯利亚通古斯地区发出隆隆巨响,据说相隔千里之外的人们都听到了这雷鸣般的声音。究竟发生了什么?无人得知,因为那里是一望无际的荒野。此事件当时引起了俄国人和欧洲人的轰动,他们相继派出了科研调查小组,前去那里察看。结果他们说,约有2000平方千米的森林呈辐射状被推倒,但却找不到爆炸形成的巨坑。那么,这个威力强大的破坏者是谁?科学家提出了一连串的凶手名单,诸如地震、彗星的陨落、大陨石碰撞地面等,可是都经不起人们的核查,而被一一否决;以后科学家又提出了微型黑洞、反物质块等原因,结果还是未能定案。这个世纪之谜一直未破,最近理论家又提出了一个疑凶——影子物质。这是什么东西?实在是前所未闻。
若你看镜中的你,跟真实的你几乎一模一样,仅是方向相反,这意味着大自然是对称的。但随着科学研究的深入,物理学家打开原子大门,进入到微观粒子世界,却发现事情并非如此。例如,中微子总是左手性的(这指的是其自旋方向),从未见过右手性的中微子。20世纪50年代,李政道、杨振宁(皆为诺贝尔奖获得者)首次指出了大自然的不对称性。他们猜测,只有存在一个镜像或影子世界,我们的宇宙才具有对称性。这是什么意思呢?例如我们世界中的某个物理过程,若产生左手性的粒子,那么在影子世界中也有同样的物理过程,相应产生右手性粒子。看到这里,也许我们想到了反物质,但影子物质跟前者并非一回事。它们惟一相同的地方是它们都出自理论,但反物质粒子在实验室中已是家常便饭,而影子物质则还在探索之中。
影子粒子跟其对应的普通粒子具有相同的质量。在影子世界中,影子夸克和其他影子粒子,是通过影子力而相互作用的,这一过程也类似于我们的世界。而影子粒子跟普通粒子,却只能通过引力才能相互作用,否则,它们的存在是无法被我们觉察的,同样的,我们的宇宙也不为它们所知。
上述谈论都是理论,那么它是否真的存在呢?现在有些科学家说,他们对此可用实验来证明,它并非是空口说白话。
关于影子世界的线索首先来看中微子。物理学家长期观测着这个幽灵般的粒子(它来自太阳内部的核反应),经大量的测量,测得的数量总是比理论预期的少。对这一短缺的解释是这样的,已知中微子有三种类型(μ、τ、电子中微子),它们处于振盈并相互变化之中;另一方面,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究结果,得出这样一个结论:还可能存在一种新类型的中微子,它更不易被觉察,却跟其他三种中微子易于相互作用,这个第四类的中微子很可能来自影子世界。富特说:“若中微子通过振盈而变成影子中微子的话,那就很好地解释了太阳中微子短缺的疑难。”
一个更直接的线索来自邻正电子素,这种东西在大自然中是否存在很难肯定,但它是实验室的产物,看上去颇似原子,不过电子所围绕的不是原子核(由质子、中子组成),却是一个“正电子”(它跟正电子素在结构上完全相同,只是电子的旋转方向不同)。20世纪90年代,一批科学家测量了邻正电子素的寿命,结果要比预期的短。最初人们并不在意,直到2001年3月,美国的一个研究小组再次对它做了很精确的测量,但差距依然存在,物理学界为此大伤脑筋。后来欧洲核子研究所(CERN)的尼耐可等人发表文章说,这个疑点可用影子世界来解释。
十几年前,物理学家格拉肖(诺贝尔奖获得者)曾指出,邻正电子素可能对影子世界特别敏感。后来赫唐的研究进一步指出,普通物质与影子物质之间的相互作用,除了引力之外还有别的途径。有一种携带微弱力的重粒子,跟普通物质和影子物质都可发生作用。而普通物质与影子邻正电子素的耦合,是融合了两种不同的形态,其实际效应是邻正电子素徘徊(即振盈)在它自己与影子邻正电子素之间,即一忽儿前者变成后者,一忽儿又回复原样。而这种振盈解释了短缺的寿期:譬如一些邻正电子素,通过振盈而进入影子世界,并在那里衰变,那么它就永远也无法振盈回来了。
尼耐可和富特正在准备一个真空实验方案,拟不久后在CERN进行,以证明他们关于影子世界的上述看法。他们将把邻正电子素密封在一个热测量器(它测量总的能量变化)的真空腔内,“若发生振盈,那么一些粒子(邻正电子素)将从我们的世界消失,仪器即可测量出一部分能量的缺失。”他们相信,近年内就可得出影子世界是否存在的结论。
尼耐可的实验并非是观察影子世界的惟一途径,还有一条线索,就是寻找带有微小电荷的粒子。我们知道,所有带电粒子都带有整数倍的电子电荷,或带有1/3或2/3的电子电荷(如夸克),几无更小的电荷。但若普通粒子与影子粒子通过中介粒子而相互作用,而这种中介粒子带有微小的影子电荷,类似地,影子粒子带有微小的普通电荷,而这个电荷也许是电子电荷的1/10 000或1/100 000。物理学家已在油滴实验和粒子加速器的泡沫室中寻找这些“微电荷”,不过迄今尚无着落。
若尼耐可真的找到影子物质,那么目前的宇宙学将做重要的修改,也将有助于物理学家精练出最终的物理理论。另一方面,有几种超弦论预言了影子世界的存在,故物理界乐于看到对这一思想的实验性测试。此外,天文学家正在寻找新型物质,因为宇宙中至少有90%的物质似乎是神秘的暗物质,只是由于它们施加在恒星和星系上的引力,才揭示出它们的存在。富特认为“这暗物质可能正是影子物质”。若确有一个分享我们空间的影子宇宙,那么,它就可能拥有影子星系、恒星、行星,甚至影子生物,它们跟我们真的很难区分。
根据富特的看法,影子星有可能被看到,不过只是在它作为超新星爆发之时,它看上去应该十分不同于普通的超新星爆发。由于影子物质跟光子的耦合十分微弱,故通过一般的光学观察是很难看到它的,但在爆发时,影子中微子振盈成普通中微子,将形成一个巨大的中微子暴。“这些情况对地面的(中微子)观测来说,可能揭示出一个影子超新星,正如1987年,天文学家通过中微子暴揭露出一个普通超新星爆发。”
那么影子行星的情况又是如何呢?我们不可能观察到一个影子太阳系,因其太阳是看不到的,而影子行星有可能是围绕着普通太阳运转。例如,在最近5年来,已探测到40颗左右的太阳系外行星,它们可能是影子行星。目前,它们的存在,并非是从望远镜中看到的,而是通过它们的引力影响而测得的。下一代的望远镜将能探明真相,若它们是普通行星,将可看到它们所反射的光;而影子行星是不会反射其阳光的。因而,只能测得其引力效应,却又看不到其身的,必将是影子行星!
影子星可能具有凶险的面貌。1984年,罗泊等研究者指出,太阳可能有一颗遥远的伴星,取名“复仇女神”,它周期性地触动奥尔特彗星星云,使彗星抛出水体与地球相撞,这就有可能解释地球历史上周期性出现的生物大绝灭。不过迄今为止,没有人找到过这颗伴星。最近,俄国科学家雪累盖兹说:“它可能是一颗不可见的影子星,很难证实,却引人猜疑。”富特的猜测似乎更吸引人:1908年的通古斯大爆炸,很可能是一个影子陨石或影子彗星惹的祸。影子物质和普通物质之间的作用力虽很微弱,但由于陨石(或彗星)体积很大,释放的能量也必然巨大,足以摧毁这些森林,一旦钻入地球也能熔化大量岩石。他说:“这一猜测是可检验的,只要在通古斯那个位置(碰撞点)的下面,寻找地下曾释放过大量能量的证据就可。”不过他为自己也留有余地,“我的想法似乎活灵活现,可是通古斯却与影子物质丝毫无关。”
华盛顿大学的教授克莱末走得更远,他猜想存在着一个与地球体积相同的影子地球,且跟地球合在一起,两个地球相加的质量就是我们现在测得的地球质量,甚至还设计出一条通往影子地球的通道,实在是神乎其神。不过,这在富特看来,是“不可能的”。在结束本文的时刻,笔者又想起了暗物质,若宇宙中暗物质占90%,也即它们占了物质中的极大部分,它们也有可能与普通物质混合在一起。若暗物质真的是影子物质,那么就有可能出现这样的场面:当普通粒子组成原子时,影子粒子也照样伴生出一个影子原子,继而是影子分子、各种影子元素,最后当然是有机影子分子,最终是影子生物、影子人。由于影子物质跟普通物质的耦合是极其微弱的,故它们的存在不为我们所觉察,即使我们自身与影子人合在一起,也同样难以察觉。笔者认为,这样的猜想是合乎逻辑的,故若影子世界真的被证实,那么几乎跟人类文明史同样长久的“灵魂”一说,是否也找到了归宿?