138亿年前宇宙的一道光，或将迫使我们建立新的物理学法则

在宇宙中，不论是恒星与恒星之间，还是星系与星系之间，都弥散着一种非常微弱却极其特殊的电磁波。这种电磁波记录着最古老的宇宙历史，因此备受科学家们的关注，它就是宇宙微波背景辐射（the cosmic microwave background，简称CMB）。

138亿年前，宇宙大爆炸，创造了今天宇宙中的物质。但是，当时宇宙温度过高，亚原子粒子无法稳定结合在一起。在大爆炸的38万年后，宇宙终于降温到允许离子和电子结合为原子。这些初生的原子十分活跃，用微波向宇宙宣示自己的诞生，于是就形成了CMB。

多年以来，科学家一直通过CMB了解宇宙的那一段历史，也是推测宇宙诞生与演化的重要参考。最近，他们在对CMB进行研究的时候，发现了一些诡异的事情。一种新的观测技术暗示了光的一种扭曲，而这种现象正在挑战着一个物理理论——宇称守恒。难道，我们又要迎来物理学的一次重大变革？

粗略地讲：根据物理学的标准模型，如果某个物理定律经过了镜像的翻转，那么这个物理定律本身仍然适用，这就叫做宇称守恒。

1956年的时候，杨振宁和李政道对这个法则提出了挑战，并且在实验女王吴健雄的帮助下，他们证明了弱相互作用下的宇称不守恒，并且在1957年获得了诺贝尔物理学奖。不过，他们的证明也仅限于弱相互作用，也就是微观世界。而如今，科学家们在宇宙尺度下发现了宇称可能不守恒的现象，就更加令人震惊了。

这一次可能轰动物理学界的发现，来自于两名日本物理学家——日本高能加速器研究机构的Yuto Minami和德国马克斯·普朗克天体物理研究所和日本卡夫利宇宙物理与数学研究所的Eiichiro Komatsu相信，通过CMB的偏振角，他们发现了宇称不守恒的线索。

所谓的偏振，是包括可见光在内的所有电磁波的一个特点，我们可以理解为它只能朝一个方向振动。我们经常看的3D电影，就是利用两个眼镜接收两个不同方向的偏振光，使我们看到了立体的效果。在光线被散射后，波就会发生偏振，大气层中的一些颗粒或水分子就可以产生这个效果。在宇宙中，这样的现象也会发生。

正如我们前面所说，在大爆炸的38万年之内，宇宙都保持着极高的温度，以至于亚原子粒子到处乱窜，根本无法结合为原子。在那个时候，整个宇宙也像是充满了迷雾一样，看起来十分模糊，光子在宇宙中的传播也面临着重重阻碍。

然后，宇宙温度降低到了一定的程度，质子和电子终于相对稳定了一点，结合成为了氢原子。宇宙开始平静，空间也变得透明，光子终于可以自由穿梭。就在等离子体向中性氢转化的过程中，光子在电子作用下发生散射，导致了CMB的偏振。

这种偏振可以给科学家提供许多关于早期宇宙的秘密，尤其是它离奇的偏振角度CMB β，更加引起了科学家的注意，因为它有可能暗示我们CMB与暗能量和暗物质之间的神秘关联。我们知道，暗能量是宇宙膨胀的动力，暗能量则提供着引力，它们占据了宇宙能量的绝大部分，却始终无法被我们探测到。

Minami解释说：“如果暗物质或暗能量以违背宇称守恒的形式与宇宙微波背景辐射的光产生相互作用，那么我们通过后者的偏振数据就能找到其中的证据。”

问题在于，科学家要如何准确地探测到这个β角呢？2009年，欧洲航天局的普朗克卫星发射升空，它携带了一台非常先进的仪器——那就是极为灵敏的偏振光探测器。在2018年的时候，它就发布了关于CMB的一些最新观测数据，提供了本次研究的基础。

接下来还有一个问题：科学家们不知道卫星拍摄时的精确角度，因此在获得了角度数据后，也很难判断这个角度到底是来自于真正的偏振角β，抑或只是探测器的转向所形成的角度让人误以为是偏振角β。

这个问题该怎么解决呢？

说起来这个原理也简单，这就类似于给哈勃望远镜拍摄的照片去除噪音一样，将多个图像进行对比，那些相同的部分就是我们要观测的信号，而不同的部分就是噪音了。

Minami介绍说：“我们研究了一种新的方法，利用银河系内的尘埃所形成的偏振光来判断人为调节的旋转角度。利用这个手段，我们取得了两倍于以往研究的精确度，最终能够测量出β角。”

我们知道，在几十上百亿光年的宇宙尺度下，银河系内几千、几万光年的距离就显得不值一提了。在这个尺度下，银河系尘埃产生的辐射不会受到暗物质和暗能量的影响。因此，在这种参照之下出现的旋转，都是来自于人造设备自己的旋转。

由于普朗克卫星提供的数据既包含了偏振角，也包含卫星旋转的角度。因此在上面的工作完成之后，从数据中减去卫星的旋转角度，就能准确地知道CMB β的角度。

通过这项研究，科学家确定β确实不为0，置信度高达99.2%。这意味着这个偏振角确实存在，并且暗示着宇宙可能还存在大尺度下的宇称不守恒现象。

需要注意的是，尽管本次研究的置信度高达了99.2%，它仍然不足以说明我们将要建立一个新的物理理论。如果真的要挑战传统物理学，一项研究的置信度必须高达99.99995%才可以！这看起来好像有点过于苛刻，但是毕竟很多现有理论都很牢固，在可见范围内也运行地极好。因此，必须要有足够高的置信度，才能够让我们接受新理论。

不管怎么说，这已经是一次重要的发现，也给其他科学家们提供了一个方向。如果他们的研究成果的确是正确的，那么我们今天可能就正在见证新理论的诞生！