影子世界

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?