镜像世界探秘18——为什么是镜像理论？

自从基础物理的现代大厦在半个多世纪前的竣工，以标准模型的建立为标志，我们对物理世界的理解达到了惊人的精度，但我们知道它肯定不是终极理论。有太多的自由参数（19个，还不算中微子的），看起来很任意的相互作用和基本粒子种类和数目，引力的特立独行，以及暗能量，暗物质等等很多无法理解的宇宙学和天体物理现象。经过几十年的努力，我们已经有了很多超越标准模型（beyong the Standard Model – BSM）的候选理论，那么为什么我们说新镜像理论（mirror matter theory）就是我们梦想的下一座理论大厦呢？

这里讨论的新镜像理论始于2019年，主要由如下几篇发表的论文（及其引用的预印本）奠定：【Phys. Lett. B 797, 134921 (2019)】，【Phys. Rev. D 100, 063537 (2019)】，【Int. J. Mod. Phys. D 30, 2142020 (2021)】，【Universe 2023, 9(4), 180】，【Symmetry 2023, 15(7), 1415】。

最热门的候选理论当属有关量子引力（Quantum Gravity）的研究，特别是弦论（String Theory）和圈量子引力（Loop Quantum Gravity）。然而这些理论都有一个致命的弱点：没有真正有效的预言，在任何可预见的将来我们可能无法对它们进行实验检验。它们更像是缺乏物理原理的数学理论。

我们还有大量的超越标准模型的唯象模型，它们一般没有很大的野心，多为了解决一两个具体问题而特意建造的，甚至很多情况下只是一个玩具模型。模型的机制和参数常常具有很大的随意性（ad hoc），目的只是能和特定的实验数据较好的拟合。这些模型基本不具有任何预言能力，其实大家心里清楚它们的无用，但理论家们也是要吃饭的嘛。其中做的好的，至少有些天才的想法，虽然还无法真正解决问题，但可能对将来的突破理论会有启发。然而大多数最终都会被丢进历史的垃圾堆。

另一方面，我们的实验家们基本上被组合进各种大型合作团队，有的团队人数甚至能超过几千人，进行所谓大科学，大设备/设施，大项目的发展与研究。当然也存在少量的小团队甚至个人做一些桌面级（tabletop）实验来试图发现新物理或验证新想法。然而绝大多数这些实验都缺乏坚实的理论指导，更像是在追逐一个移动的靶子。比如对暗物质的追寻，对无中微子双β衰变（Neutrinoless double beta decay (0νββ)）的探测，大团队们在不断地刷新测量精度和灵敏度，但也许他们永远都测不到一个可能并不存在的信号。

其实物理学家们知道一个好的物理理论应该是什么样的。它首先不能和已知的确凿的实验和观测抵触，不能为了解释一个新现象就和已经充分理解的结果矛盾。第二，它应该具有简单，优美的机制和原理，一个丑的理论不太可能是正确的。第三，它一定具有预言能力，并能设计出一套切实可行的检验办法。这样的理论即使没能成为下一个里程碑，也一定会为它的出现提供助力。

事实上，历史上的重大理论发现往往都具有这样的特质。例如，狭义相对论，在低速近似下它完美地回到牛顿力学，优美的相对性原理是对物理对称性的一个最深刻的理解，比较轻的电子很容易达到相对论性的能量用来验证。李杨的弱相互作用宇称不守恒理论也是如此，他们首先确定以前的弱相互作用实验从来没有验证过宇称守恒，破缺的对称性给出了另一种美，他们设计的β衰变实验也很快由吴健雄等人验证。

当前的理论中，弦论不满足第三条，大多数其他理论模型都至少或者不满足第一条（摁下葫芦浮起瓢），或修修补补得太丑，或无预言可检验性，甚至无一条满足。那么，我们来看看，新的镜像理论到底是如何满足这三条好理论的特性的呢？

首先，新镜像理论满足第一条（理论的兼容性）。新理论要求，不存在跨越普通和镜像两个粒子世界的直接规范相互作用（no cross-sector gauge interactions between ordinary and mirror sectors）。于是几乎全部的标准模型物理都得以保全，标准模型下超过十几位的实验验证精度也就显然。暗物质即镜像物质，当然是无法直接测量的了。中微子是狄拉克费米子，于是无中微子双β衰变不可能存在。这可能就是尽管经过几十年的努力，这两大实验项目至今一无所获。唯一能对我们的普通世界进行干扰的就是中性强子在两个世界间的振荡或者说拓扑跃迁过程。最显著的，一个是中子n-n’振荡，一个是K0介子的（K⁰-K⁰’）振荡。而中子的寿命反常实验恰好可以由n-n’振荡解释。其质量差要求的共振振荡条件比较苛刻，几乎不会影响在地球上的日常物理：即或者要求物质密度达到水密度的百倍千倍以上（恰好可以解释恒星的后期演化和元素合成），或者要求超强磁场（50-200T）– 仅有几个实验室可以产生如此强的磁场，而且都是很短暂的脉冲式的。至于K0介子，它的已被充分研究的普通振荡（或者说其正反粒子振荡，导致CP违反的发现）所测量到的质量差和镜像理论的预言惊人的一致。而和（K⁰-K⁰’）镜像振荡紧密相关的K0不可见衰变至今还没有任何实验测量。所有这一切都展示着新镜像理论与标准模型的高度兼容性。

新镜像理论还满足第二条（理论的简洁优美性）。镜像对称（mirror symmetry）直接对应于一个非常普适的几何对称性–定向对称（orientation symmetry）， 所有的几何流形局部都天然有定向对称。于是量子场论局部空间所定义的基本粒子也拥有镜像对称，即定向相反的两个粒子分支。这一优美的概念直接联通了弦论的 T-duality 和 Calabi-Yau 镜对称，重新诠释了杂化弦，把这些数学结论赋予了物理内容，让弦论成为了新理论发展的重要数学工具。更进一步的，镜像对称和几何朗兰兹对偶也是紧密相关的，这样的宏大前景让新理论的美越发迷人。上面描述的抽象迷人的美可能也造就了下面要展现的简洁经济的美。新理论没有任何画蛇添足的相互作用，具有极度的简约美。所有的相互作用，粒子集，包括时空，都是通过维度相变和自发对称破缺一步步自发演化出来的。最为神奇的是，这一简洁而自洽的框架可以解释几乎所有已知的基础物理和宇宙学的主要疑难（参见本系列其他文章）：暗能量，暗物质，正反物质不对称，超高能宇宙射线，时间箭头，大爆炸和暴胀，黑洞，恒星演化和元素合成，超新星爆发，相互作用和粒子的起源，中微子性质，中子寿命反常，CKM矩阵幺正性，… 新理论衍生的思想甚至为非传统的高温超导提供了一个与实验数据非常匹配的新配对机制。

新镜像理论更满足第三条（理论的预言可验证性）。新理论的n-n’振荡模型只涉及两个紧密相关的参数，一个是混合强度 sin²(2θ) ~ 0.8-2×10^-5，其值的一半的物理意义相当于当一个普通中子与普通物质发生一次非相干散射或反应时它变成镜像中子的几率。另一个就是普通-镜像中子质量差 Δ ~ 3-12 μeV。如果我们精确测量了其中的一个，那么另一个就自动确定了。或者我们同时测两个，如果发现它们不相容，那么也证伪了理论（事实上，如果测到这两个参数任何非零的值都将是新物理）。至少有三类实验都可以立即对新镜像理论的独一无二的预言做出严格的实验室检验，而且都是技术上切实可行的，甚至是非常经济便宜的。第一类就是恢复或重建各种小尺寸的磁阱（magnetic trap）来测量中子的寿命反常，越窄小的磁阱导致磁场对中子的反射频率越高，于是反常越大。这类实验可以精确测量混合强度 sin²(2θ)，同时严格验证新理论的所预言的中子表观寿命和磁阱尺寸的关系。第二类就是在超高强磁场设施（比如，在 LANL 的高达 100T 甚至是 300T 的脉冲式磁场装置），通过寻找共振的n-n’振荡信号来验证新理论。根据其质量差范围预测最可能的共振磁场范围大约是 50-200T。如果在某一特定磁场下，共振的确发生，那么大比例的中子消失将是对新理论最确凿无疑的验证，同时也精确地测量了其质量差 Δ。第三类实验是对新理论所预言的普适的中性强子h-h’振荡的验证。新理论对较长寿命的中性重子和介子，特别是（K⁰-K⁰’）振荡和（Λ⁰-Λ⁰’）振荡给出了现有技术可测到的不可见衰变分支比：分别为 1×10^-5 （K⁰_L），1.8×10^-6 （K⁰_S），和 4.4×10^-7（Λ⁰）。世界上现有的很多加速器设施事实上都可以开展这类研究，这将是对新理论的延展性的预言的一个有力验证。这里我们只强调了最直接最严格的实验室检验。其他方面的实验，特别是在宇宙学和天体物理方面的观测，将来会为新理论提供更多佐证。

当然，再好的理论，如果无人问津，无人关注，无人验证，也不能得到及时的进一步发展和应用。因此我希望有更多的研究人员参与进来，或者独自或者合作，共同验证和发展新理论。我更希望资助机构，甚至私人投资者，能够关注这一新理论，为相关研究人员，特别是那些做实验验证的，提供资金支持。和那些大型团队和项目比，很多上面提到的实验都是桌面级（tabletop）的，资金需求大概在百万美元量级，甚至更少。若我有生之年看到新理论的验证将不失为一件幸事。

关于新镜像理论的英文网站：https://mirroruniverse.org/

关于对现有学术评价体系和生态的变革：Community-driven Open Research Ecosystem (CORE)