我们的宇宙本不应该存在——但我们正在慢慢了解它为什么存在

你可能对下面的故事很熟悉:138亿年前,大爆炸产生了恒星和星系,产生了行星和生命,最终产生了你我。但是这部编年史中有一个明显的空白,一个如此大的光圈,解决它会动摇我们对现实的认识。

“如果我们原则上选择最好的物理理论……我们需要得出结论,正如我们所观察到的那样,宇宙是不存在的,”欧洲理事会 RIKEN 领导的重子反重子对称实验的物理学家 Stefan Ulmer 说用于核研究。

要么我们的物理定律是错误的,要么我们错过了大量的形而上学难题。

在寻找这些碎片的科学家大军中,乌尔默花了数年时间研究我们宇宙存在危机的种子:反物质。在周三发表在《自然》杂志上的一篇论文中,他报告了一个更新:反物质对重力的反应与正常物质的反应没有任何不同。

首先,什么是反物质?

从太阳到您正在阅读本文的设备,一切都是由我们所知道和喜爱的正常物质组成的,由由正质子和负电子构成的原子组成。大爆炸引发了这一切,剩下的就是历史了。

这是奇怪的部分:我们的宇宙也含有少量的反物质,由质子和电子构成的原子组成。这就像大爆炸的叛逆孩子。

物质和反物质都是由与这个相似的原子组成的。质子(和中子)位于中心,电子在外壳上四处游动。反物质只是有相反的电荷。

当他们接触时,由于他们的相反电荷,他们完全消灭了对方。即使科学家为实验创造反物质,活泼的粒子也必须保持在真空中,因为在正常物质环境中的反物质粒子会立即“噗”。 

这种不相容的多米诺骨牌可以归结为一个巨大的 存在问题——不仅仅是我们有一天不能在没有基本爆炸的情况下遇到我们的反物质对手。

应该有粒子战争

物理学家使用两个主要框架来解释粒子行为:粒子物理学的标准模型和相对论量子场论。每一个本身都是超级稳固的,将它们结合起来会导致一个令人困惑的结果。 

物质和它的宿敌是同一枚硬币的两个方面。

“空间和时间的结构基本上意味着物质和反物质在原则上是完全对称的,”乌尔默说,“这意味着它们具有相同的质量、相反的电荷、相反的磁矩等等。”

如果这是真的,那么大爆炸应该有 50/50 的机会形成任何一个。如果发生了 50/50 的分布,反物质和物质应该已经完全相互摧毁了。(还记得裂痕吗?)有了这样的粒子战争,宇宙就没有任何物质了。太空不会容纳太阳或地球,肯定会缺乏人性。战斗结束后,只剩下一点余力。

但是太阳、地球和人类是存在的。

出于某种原因,宇宙中的物质比反物质多几个数量级,这是一个被称为重子不对称的宇宙之谜,与乌尔默的实验室同名。大爆炸产生的反物质消失了吗?从来没有开始吗? 

“我们不了解物质和反物质不对称性的起源,”乌尔默简单地说。

它结合在一起的部分

因为标准模型对 50/50 物质类型分布的预测依赖于粒子是完全对称的,所以如果我们找到打破假定平行的方法,这个谜团最终可能会被解开。

“如果,比方说,质子比反质子重一点,那将立即解释为什么物质比反物质多,”乌尔默说。这几乎可以解释为什么宇宙存在。

让我们回到 Ulmer 的研究结果:物质和反物质对引力的反应方式相同,排除了账本上可能违反对称性的一些选项。

达达,告诉你它会走到一起。 

质子交响曲

Ulmer 的实验始于一种名为 Penning 陷阱的迷人装置,这是一种小型金属装置,可检测粒子的回旋加速器频率,或某物在磁场中移动的频率。

研究人员将实验室生产的反质子放入内部并测量其回旋频率,然后注入带负电荷的氢离子并测量相同的参数。(乌尔默使用带负电荷的氢离子,或具有一个质子和两个电子的原子,作为正常物质的代表,因为它与反质子的负电荷相匹配)。 

从音乐的角度来考虑这个实验是最容易的。

Ulmer 说,Penning 陷阱的拾音系统类似于电吉他中的拾音器。“从这个意义上说,这是一个非常音乐化的实验,”他解释说,他自己也是一名吉他手。 

“频率范围有点不同,但我们正在聆听宇宙中不存在的声音,”他补充道。“以我们目前的聆听能力,[物质和反物质]听起来是一样的。”

如果您愿意,这些粒子会演奏相同的旋律,这也意味着它们具有相同的音符。又名,这些粒子的回旋加速器频率是相同的,它们的许多结果特性(例如荷质比)也是相同的。所有这些相似之处现在都从可能的物质-反物质对称性违规列表中消除了。

作为实验室的空间

但研究人员的最终目标是使用他们的回旋加速器频率数据,看看反物质歌曲是否会随着引力场的调整而变化。具体来说,他们测试了 爱因斯坦的弱等效原理——对于正常物质是正确的——是否适用于反物质。 

爱因斯坦的原理指出,引力场中的任何物体的行为都独立于其固有属性。例如,在没有风等外力的情况下,一架钢琴和一根羽毛会以相同的加速度落到地球上。 

直觉上,我们可能会假设反物质的相反电荷会迫使它“跌落”,或者至少在行为上有一些变化。

对于实验的这一方面,乌尔默利用了一些宇宙实验室设备:地球和太阳。“当地球在椭圆轨道上绕太阳运行时,”乌尔默说,“我们实验室的引力势会随着时间而变化。”

因此,他和他的研究团队在不同时间点测量了反质子和负氢离子的回旋频率,也就是旋律。经过 24,000 次比较后,他们得出结论,两种粒子类型的反应相同——具有非常、非常高的确定性。

瞧,爱因斯坦的原理适用于反物质。事实上,它不会向上下降。

乌尔默说:“可以肯定的是,我们将继续使显微镜变得越来越好,如果我们在这些实验中发现了意想不到的东西,这将改变我们对自然法则的基本理解。”

反物质的哲学后果

为了论证的缘故,让我们假设有人最终发现了反物质和物质之间的差异。这对我们意味着什么?

违反物质-反物质对称性将意味着违反称为CPT 不变性的更大现象。C 代表电荷,P 代表奇偶校验,T 代表时间。简而言之,该规则指出,如果将这些事情中的任何一个颠倒过来,宇宙将基本上保持不变。如果时间倒退而不是前进,如果一切都是左撇子而不是右撇子,你猜对了,如果所有物质都带相反的电荷,世界就不会改变。

如果我们发现反物质与正常物质不同,C就会被违反。如果违反了 CPT 不变性,那么科学家们说,因果关系可能不再成立。“我认为这可能会导致我们的思想发生更多的哲学变化,”乌尔默说。“可与 1920 年代发展量子力学时发生的情况相媲美。”

补充说,“到目前为止,人们一直认为一切都是确定性的。在量子理论中,事物不再是确定性的——所以这改变了人们对自己的理解。”

更令人费解的是,由于宇宙似乎存在,我们已经知道反物质是有某种意义的。从某种意义上说,我们已经知道我们将不得不调整我们对现实的看法。 

我们只是在等待合适的时机。

原文链接:http://www.ce4e.com/news/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e6%9c%ac%e4%b8%8d%e5%ba%94%e8%af%a5%e5%ad%98%e5%9c%a8-%e4%bd%86%e6%88%91%e4%bb%ac%e6%ad%a3%e5%9c%a8%e6%85%a2%e6%85%a2%e4%ba%86%e8%a7%a3/,转载请注明出处。

0
我要投稿 推广赚钱 提交工单 举报投诉

评论0

请先

没有账号? 注册  忘记密码?