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如果这是真的,那么这个新理论意味着暗物质并不那么神秘,它只是一种新的幽灵粒子,称为中微子,只能存在于这种宇宙中。该理论意味着,在大爆炸后不久,不需要出现一段“膨胀”时期,从而迅速扩大年轻宇宙的大小。
如果是这样的话,那么未来寻找引力波或确定中微子质量的实验可以一劳永逸地回答这样一个镜像反宇宙是否存在。
保持对称
物理学家已经确定了自然界中的一组基本对称性。三个最重要的对称性是:电荷、宇称和时间。
物理交互在大多数情况下都遵循这些对称性,这意味着有时会存在违规行为。但物理学家从未观察到同时违反所有三种对称性的组合。如果你观察自然界中观察到的每一次相互作用,并翻转电荷,获取其镜像,然后将其向后运行,那么相互作用的行为将完全相同。
这种基本对称性被命名为:CPT 对称性,代表电荷(C)、宇称(P) 和时间(T)。
在最近接受发表在《Annals of Physics》 杂志上的一篇新论文中,科学家们建议扩展这种组合对称性。通常这种对称性仅适用于相互作用——构成宇宙物理的力和场。但如果这是一个极其重要的对称性,也许它适用于整个宇宙本身。换句话说,这个想法将这种对称性从仅适用于宇宙的“演员”(力和场)扩展到“舞台”本身,即宇宙的整个物理对象。
创造暗物质
我们生活在一个不断膨胀的宇宙中。这个宇宙充满了很多粒子,它们在做很多有趣的事情,宇宙的演化也在时间上向前推进。如果我们将CPT 对称性的概念扩展到整个宇宙,那么我们对宇宙的看法就不可能是全貌。
相反,必须有更多。为了维持整个宇宙的CPT对称性,必须有一个镜像宇宙来平衡我们的宇宙。这个宇宙的所有电荷都与我们相反,以镜像形式翻转并在时间上倒退。我们的宇宙只是双胞胎之一。总体而言,这两个宇宙遵循CPT 对称性。
研究人员接下来将提出这样一个宇宙会产生什么后果的问题。
对此,他们发现了很多奇妙的事情。
首先,遵循CPT 的宇宙会自然膨胀并充满粒子,而不需要长期理论上的快速膨胀(即暴胀)。尽管有大量证据表明发生了像通货膨胀这样的事件,但该事件的理论图景却非常模糊。它是如此模糊,以至于有足够的空间来提出可行的替代方案。
其次,遵守CPT 的宇宙会被扔进一些额外的中微子。已知中微子分为三种:电子中微子、子中微子和道氏中微子。奇怪的是,所有三种中微子都是左旋的(指它们相对于运动的旋转方向)。物理学界已知的所有其他粒子都有左旋和右旋粒子,因此物理学家长期以来一直想知道是否存在额外的右旋中微子。
遵守CPT 的宇宙需要至少存在一种右手中微子。这个物种在物理实验中基本上是不可见的,仅通过重力影响宇宙的其余部分。
但是,一种充满宇宙且仅通过引力相互作用的看不见的粒子听起来很像暗物质。
研究人员发现,遵守CPT 对称性条件将使我们的宇宙充满右手中微子,这足以解释暗物质。
镜子中的预测
我们永远无法访问我们的双胞胎,CPT 镜像宇宙,因为它存在于我们的大爆炸“背后”,在我们的宇宙开始之前。但这并不意味着我们无法测试这个想法。
研究人员发现了一些关于这个想法的观察结果。首先,他们预测三种已知的左手中微子应该都是马约拉纳粒子,这意味着它们是它们自己的反粒子。到目前为止,物理学家还不确定中微子是否具有这种性质。
此外,他们预测其中一种中微子应该是无质量的。目前,物理学家只能确定中微子质量的上限。如果物理学家最终能够测量中微子的质量,并且其中一个确实是无质量的,那么这将大大支持CPT 对称宇宙的想法。
最后,在这个模型中,通货膨胀事件永远不会发生。相反,宇宙本身自然地充满了粒子。物理学家认为,膨胀对时空的震动如此之大,以至于引力波充满了宇宙。许多实验都在寻找这些原始引力波。但在CPT 对称宇宙中,这样的波不应该存在。因此,如果对原初引力波的搜索一无所获,这可能是这个CPT 镜像宇宙模型正确的线索。