镜像世界探秘16——手征配对凝聚与高温超导

这篇文章可以算是镜像世界探秘系列里的一个外篇。属于无心插柳柳成阴的一个结果。其核心的思想来自镜像理论中的“手征凝聚(chiral condensation)”概念。传统的 BCS 超导理论由Bardeen，Cooper，和 Schrieffer 于1957年建立。非传统超导体，即是非BCS超导体，特别是铜基和铁基这两大类高温超导体（分别发现于1986年和2006年），正好可以由“chiral pairing mechanism（手征配对机制）”来完美理解。具体技术细节参见论文“New Non-BCS Superconductivity Pairing via Chiral Electron-Hole Condensation”[arXiv: 2310.10674] 新近发表在 J. Phys. Chem. Solids 193，112148 (2024)。下面我们通俗地介绍一下。

镜像世界探秘15——超弦理论与镜像理论

超弦理论(Superstring Theory)的发展有很长历史了。它起源于上世纪60年代末，最早是想解决夸克的强相互作用的。然而同时期SU(3)规范理论的发展可以更好地解释夸克的强相互作用，特别是夸克的渐近自由，从而迅速赢得了大家的支持，很快成为了标准模型（Standard Model）的一部分。于是弦理论便如昙花一现少有人问津了。但仍有一部分人认为超弦理论可以成为一种统一广义相对论和标准模型的量子引力理论。其中有两位孤独的勇士 John Schwarz 和 Michael Green 仍在坚持，他们终于在 1984 年解决了超弦理论中的反常问题，从而发起了第一次超弦革命。特别地，Schwarz 在这一落寞时期没有在 Princeton 拿到终身教职(tenure)，而不得不在 CalTech 做了十几年的博士后(research associate)，当然他成名后立即在 CalTech 拿到了终身教职。

镜像世界探秘14——到底什么是镜像对称和超对称？

本文基于如下发表的论文：“Mirror symmetry for new physics beyond the Standard Model in 4D spacetime”，发表在Symmetry, 15(7), 1415 (2023)。 较早期的探讨参见未发表的预印本：“Dark energy and spontaneous mirror symmetry breaking” 和 “Supersymmetric mirror models and dimensional evolution of spacetime”。下面我们尝试用较通俗的语言来讲述镜像世界理论（mirror matter theory）中最重要的概念–镜像对称（mirror symmetry）和对流行的概念超对称（supersymmetry）的重新理解。特别地，我们将揭示镜像对称的深刻的几何起源，以及镜像对称和超对称这种分立对称性是如何像正反粒子对称性（或时间反演对称性）一样扩展或联系我们已知的基本粒子体系。

LK-99 是否常压室温超导材料?

知乎问题：韩国研究人员声称发现常压室温超导材料，具体情况如何？可信度有多高？

最近热议的 LK-99 材料也许真的可能具有室温常压下的超导属性或超导相，至少也可能是一种新型的复杂多相的，值得进一步研究的新材料。从超导理论上来讲，他们提出了两个特别值得关注的要点：一个是此超导相可能是一个准一维结构；另一个是微小的晶格压缩可以产生巨大的内应力。这两点可能真是实现室温常压超导的必要条件。然而高温（二型）超导的物理机制并没有解决，传统的BCS理论并不适用。那么，新机制应该是什么样？

今日物理天空中的乌云

知乎问题：「物理学的大厦已经落成，上面只有两朵乌云」是什么意思？

上世纪初开尔文（Kelvin）所提到的那两朵乌云（以太和能量均分问题）最终迎来了现代物理学的两个重要支柱理论–狭义相对论和量子论。更进一步地，爱因斯坦在其狭义相对论的基础上凭借他超人的智慧建立了仍然是我们目前已知的最好的时空和引力理论–广义相对论。而同样在狭义相对论的基础上，量子论经过70年的发展和许多天才物理学家的贡献也终于形成了我们今天所熟知的粒子物理量子场论的标准模型（Standard Model）。这两个若即若离的理论即广义相对论和标准模型虽难以统一在一个框架里，却以其惊人的相容度极为精细而深刻地描写着几乎全部基础物理和宇宙学，进而一起为我们的现代文明发挥着难以估量的作用。

镜像世界探秘13——镜像文明

 这里我们应用新镜像世界理论来脑洞大开一下 。主要想法来自于大约三年前在我理论发展的早期和我的一个女儿的讨论，她特别喜欢 fantasy 小说；刚刚得知科幻作家杨建东对我的理论感兴趣，他的关注终于促成了这一脑洞文的发布。

根据新镜像世界理论，我们“看不见的”宇宙中的暗物质就是由镜像粒子组成的镜像物质。而现今的观测表明暗物质或镜像物质远远多于我们“看得见的”普通物质。而取决于宇宙各向同性或异性的假设，这个比例大约是5到10倍多。也许这意味着我们“看不见的”的镜像世界比我们看得见的普通世界有更大的可能先演化出更高级的文明。

新理论和宇宙学观测还告诉我们这两个世界的温度是不一样的，镜像世界的温度要远远低于我们世界的温度。而宇宙自热大爆炸以来的演化就是一个冷却的过程，换句话说，进化方向对应温度降低。这意味着在同一时刻，温度较低的镜像世界很可能处于更高级的进化阶段。与前面提到的镜像世界具有较大体量的要素合起来，假定一个比我们人类文明先进得多的镜像文明的存在就比较合理了。如果有哪位科幻作家愿意在这方面进行创作，我很愿意提供帮助。

在进一步展开脑洞之前，我们先来再看一下镜像文明的可能性。我们知道普通世界里生命的出现（更不要说文明）对很多物理化学的参数有着极其苛刻的要求，这甚至导致所谓“人择原理”的盛行。如果一个平行世界的物理参数哪怕只有百分之一的差别，我们也无法想象那里的生命将如何诞生。幸运的是，新理论要求镜像世界的绝大部分参数（比如粒子质量）都几乎和普通世界的一样，差别不超过大概百万亿分之一。这保证了镜像世界里的生命演化的物理化学过程应该是极其类似的。然而，温度较低的镜像世界很可能有非常不同的原始元素丰度，特别是镜像氢和氦等轻元素的初始丰度，这导致镜像恒星的演化和普通恒星的演化会稍有不同。可惜还没有人做这方面的模拟计算，不过这也方便科幻作家们来大开脑洞。

下面我们先来澄清一个概念。我们普通世界里的大部分交互作用，比如“看”，比如“观测”，比如“接触”或“碰撞”，都是通过电磁相互作用。而镜像世界里的这部分交互是通过完全独立的镜像电磁相互作用。也就是说，两个世界的物体只能“感知”自己世界的东西，无法“看到”也无法“触碰”另一个世界的物体。只有爱因斯坦的万有引力才能被共同“感受”。而引力实在是太微弱了，只有在大到天体这个级别才比较显著。于是一个普通生物和一个镜像生物相遇也无法“看到”或“感知”对方，彼此对对方都是完全透明的，例如互相穿体而过而无任何感觉。

即使两个世界的文明都存在，他们之间的交流也是极其困难的。一种可能是一个文明特别高级，对引力的掌握已经到极其细微的程度。这种难度可以这样想象一下：我们人类才刚刚建成两个巨大的引力波探测器（LIGO 和 VIRGO），而且只能测到宇宙中最致密天体（黑洞和中子星）之间的碰撞融合。不过如果一个世界对引力透镜效应精确掌握，原则上可以“感知”另一个世界的物体质量和形状。

另一种更可行的交流方式是通过新理论所预言的中性粒子的振荡效应。其中最可行的就是中子振荡。比如我们可以用中子“写下”我们的想法，然后通过振荡变成镜像中子，于是附近的镜像文明就会“看到”我们的信息。然而中子（同样地，镜像中子）的寿命只有大约15分钟，这导致这样的交流更适合即时的通信。

正是这种相互交流影响的困难的存在，两个世界的文明即使差距很大，也很难造成一个文明对另一个文明的碾压。这对我们人类是一个好消息。正如开头的讨论可知，一个很可能远比我们先进的镜像文明也存在这个宇宙中，新理论告诉我们即使他们比我们先进千百倍也很难对我们产生碾压式的效应。或许将来的某一天我们终于开始警醒并关注到镜像文明向我们发来的中子振荡信息，但这种隔离的孤独也同时保证弱小的我们在心理上是安全的。

新物理的层展论与还原论

 

知乎问题：你倾向于层展论还是还原论，为什么？

层展（emergence）和还原（reduction）常常被看作科学研究中的两种（对立的）方法论或理念。层展（emergence）还是我刚刚知道的中文翻译，不过它明显比我以前知道的翻译“涌现”要好得多，当然意思也更丰富。特别是这个中文“层展”概念与我最近发展的一种超越标准模型（beyond the Standard Model）的新物理的观念尤其吻合：物理规律和内涵（比如，基本粒子及其相互作用）是通过时空维度相变的机制一步一步演化的。