tag:blogger.com,1999:blog-28083114977117086002024-02-08T10:40:18.572-05:00瑕不掩瑜之中文镜像 (wanpengtan.com )我的博客<a href="https://www.wanpengtan.com">wanpengtan.com</a>的中文备份。讨论自由开放之学术与镜像世界之新物理。Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.comBlogger27125tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-72687349020556198212022-06-24T22:11:00.000-04:002022-06-24T22:11:35.265-04:00镜像世界探秘13——镜像文明<p> <span style="background-color: #4d545c; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px;">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。</span></p><p class="" style="background-color: #4d545c; box-sizing: border-box; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px; margin: 0px 0px 1.75em;">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。</p><p class="" style="background-color: #4d545c; box-sizing: border-box; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px; margin: 0px 0px 1.75em;">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。</p><p class="" style="background-color: #4d545c; box-sizing: border-box; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px; margin: 0px 0px 1.75em;">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。</p><p class="" style="background-color: #4d545c; box-sizing: border-box; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px; margin: 0px 0px 1.75em;">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。</p><p class="" style="background-color: #4d545c; box-sizing: border-box; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px; margin: 0px 0px 1.75em;">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。</p><p class="" style="background-color: #4d545c; box-sizing: border-box; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px; margin: 0px 0px 1.75em;">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。</p><p class="" style="background-color: #4d545c; box-sizing: border-box; color: #f2f2f2; font-family: Merriweather, Georgia, serif; font-size: 16px; margin: 0px 0px 1.75em;">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。</p>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-9172103215463287682022-01-08T01:06:00.001-05:002022-01-08T01:10:55.546-05:00新物理的层展论与还原论<p> </p><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/58056834">你倾向于层展论还是还原论,为什么?</a></p><p>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<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%981-%e9%95%9c%e5%83%8f%e7%89%a9%e8%b4%a8%e7%90%86%e8%ae%ba%e6%bc%94%e4%b9%89/">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</a>尤其吻合:<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%988-%e5%a4%a7%e7%bb%9f%e4%b8%80%e7%90%86%e8%ae%ba%e3%80%81%e6%97%b6%e9%97%b4%e7%ae%ad%e5%a4%b4%e5%92%8c%e5%a4%a7%e7%88%86%e7%82%b8/">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</a>。</p><p></p><a name='more'></a><p></p><p>其实层展(emergence)和还原(reduction)这两个观念并不抵触,甚至是相辅相成的。换句话说,在宏观的视角(例如跨学科或领域)下,科学是层展论;而在微观的角度(即每一个具体的领域)下则是还原论。从大的学科角度,层展给出了科学分类的金字塔等级体系,最基础的或最塔尖的(取决于你看问题的角度)是物理学,然后是化学,然后是生物,等等。而层展其实更是层层展现的意思,比如在已知的物理体系内,一个层层递归的展现关系就是:粒子物理 ⇒ 核物理 ⇒ 原子物理 ⇒ 凝聚态物理。</p></div></div></div></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>在每一层的展现中,事实上科学都是用还原论的思想来描述:即用一组基本定律来统一描述本层领域的科学现象。每一层领域的基本定律和其他层的都应该是相容的,但并不存在严格的递推关系,换句话说并不存在还原论式的统一理论来描述所有的物理学,更不用说全部科学现象(参见我的<a href="https://www.wanpengtan.com/2020/03/07/from-quantum-indeterminism-to-open-science-open-society-and-open-world/">博文</a>和<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#indeterm">文章</a>)。从某种意义上讲,各个不同领域的科学都有她的独立性,都需要相应的科学家去发现她自身特有的基本规律。</p><p>相邻层的定律通过一种类似物理里相变的机制来保证它们之间的一致或相容性。这样的层与层之间的突变或质变机制可能包括很多表现,比如物理上有自发对称破缺机制,还有“粗粒化”方法(也即物理学家 Anderson 所说的“more is different”)。而由质变机制的多样性,我们可以看到这样的层层结构并不是简单一维的,科学更像是多维的复杂网络。比如,通过尺度或数量上的突变,原子物理过渡到凝聚态物理;而通过复杂性(比如大分子)的增加则过渡到化学。</p><p>正是通过这些层展的质变机制,所有的自然学科都紧密地联系在一起。物理奠定了化学的基础,化学奠定了生物的基础。化学反应规律是有机大分子的功能的基础;大分子的功能是细胞的基础;细胞则是复杂生命的基础;生命的演化导致了人类大脑的出现;而大脑则进一步展现出意识、语言、庞杂的人类社会关系、甚至发展出超凡智慧来科学的认识这个世界。但我们显然不能说理解了物理就理解了所有这一切。</p><p>回到物理问题。今天人们在寻找新物理时,也就是在探索粒子物理的前一层结构时,虽然有一些层展论的努力,但更倾向于寻找一种还原论式的统一理论。很可能一个更自然的方向应该是通过自发对称破缺机制来发现“上一层”的物理基础。我最近发展出来的一套<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">镜像物质理论框架(mirror matter theory)</a>就是采用了这样的层展论思路。它通过对镜像对称(mirror symmetry)和超对称(supersymmetry)的新理解,给出了物理规律和时空本身及其维度的动态演化,从而非常有希望解决暗物质暗能量等许多当前的物理疑难。特别重要的是,这一新的镜像物质理论提供了<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%986-%e5%8f%af%e5%9c%a8%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e5%ae%a4%e9%87%8c%e6%a3%80%e9%aa%8c%e7%9a%84%e6%96%b0%e7%89%a9%e7%90%86/">一系列精准的可检验的独有预言和设计了当前技术可行的实验室检验</a>。这或许才是层展论在追寻新物理上的真正意义。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-29558031896665871602021-12-29T00:01:00.000-05:002022-01-05T00:07:54.511-05:00评张益唐现象<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p class="">知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/53073754">如何评价张益唐「如果在中国的大学,我就废了,根本无法取得现在的成就」这句话?</a></p><p class="">说起来张益唐还是我的北大校友学长。几年前第一次得知他在孪生素数猜想上的突破性贡献时,对于他的际遇有一种莫名的共鸣震动,也就是所谓的“于我心有戚戚焉”。他的例子对我未尝不是一种莫大的鼓励,对于几年后<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">实现我自己的突破</a>肯定有些影响。及至这两年多来的经历,我不免又生出了很多感概,遂成此文。</p><p><a name='more'></a></p><p class="">这一类人,即<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%88%91%e4%bb%ac%e8%af%a5%e5%9d%9a%e6%8c%81%e7%a0%94%e7%a9%b6%e8%87%aa%e5%b7%b1%e7%9a%84%e6%9c%80%e7%88%b1%e5%90%97%ef%bc%9f/">长期静心追求自己之研究最爱的人</a>,最需要的是一个长时期的身心和生活环境的恬静来保持专注,并且甘冒一无所获的风险。除了张益唐外,这样的著名数学怪才在当代还有解决了彭加勒和几何化猜想(Poincaré and Geometrization conjectures)的俄国的佩雷尔曼(Perelman),以及证明了费马大定理的英国数学家怀尔斯(Wiles)。他们的一个共同特点就是长期默默地研究自己的问题而绝不张扬。</p><p class="">他们无疑都是最绝顶聪明的数学家。但作为孤独者,佩雷尔曼真正做到了极致,张益唐次之,怀尔斯又次之。怀尔斯用超过六年的时间来心无旁骛地秘密研究费马大定理,作为一个已有名望的数学教授,他通过逐渐发表以前取得的小成果来掩盖他真正的研究活动。张益唐明智地选择留在了美国,头几年的确坎坷,但当他通过北大校友的帮助成为了新罕布什尔州大学的讲师时,我相信他终于找到了他的避风港。过去30年的中国正是处于资本原始积累的最发展也最浮躁的时期,没有绝大的毅力一个人很难在这样的环境里找到自己的净土。张益唐自问做不到,绝大多数人包括我更做不到。也许唯一能做到的人就是佩雷尔曼。</p><p class="">佩雷尔曼曾以满分拿过国际奥数金牌,在1994年解决了Soul猜想后,他拒绝了去许多名校包括普林斯顿和斯坦福大学任教的机会,而毅然选择回到了他俄国的家乡,通过大约八年隐居式的钻研一举解决了彭加勒和几何化猜想。成名后,他拒绝了著名的菲尔兹和千禧大奖,并继续他的隐居生活。他本可以象其他主流数学家一样留在美国名校做教授过着更体面的生活,但他可能意识到了<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%b5%85%e8%ae%ba%e5%ad%a6%e6%9c%af%e8%87%aa%e7%94%b1/">美国的tenure制度(参见博文“浅论学术自由”)</a>会影响他静心研究他自己的终极目标,于是选择回到了他更熟识而安逸的家乡。</p><p class="">这些人最需要的是一个风平浪静的港湾,当然不同的人对港湾的定义或需求也不同,或隐于市,或隐于野,但必是让他们身心俱惬意(comfortable)的状态。其实这样的人可能很多很多,但最终展露头角而为我们所知的很可能只是极少数。数学领域还算好的,毕竟成功的标准只取决于你逻辑的正确性。而对于物理等以实验为基础的科学,一个新思想的建立很可能要经过一个极其漫长的等待和验证过程,能出头甚至活到那个时刻的创新者就更是凤毛麟角。</p><p class="">这三位数学大家能很快得到认可的另一个重要原因是他们的研究都是基于一个最近的主流工作来做的突破。佩雷尔曼的成就主要基于Hamilton的当时开创于不过20年前的 Ricci flow 理论,而奠基人Hamilton 仍当壮年并仅仅几年前还做出了有助于猜想解决的Ricci flow 的重要成果,其他主要研究者很快对佩雷尔曼的论文给予验证也就不足为怪了。怀尔斯开始他的秘密证明工作时曙光已经展现,特别是几年前的有关 Frey’s curve 的相关工作。同样地,张益唐本人虽然在成名前更默默无闻,但他的孪生素数猜想论文也是在几年前的 Goldston, Pintz, 和 Yildirim等人的工作基础上突破的,而熟知情况的当时的解析数论权威 Iwaniec 和 Friedlander 又恰好是他的论文的审稿人。</p><p class="">然而对于其他实验科学的重大理论突破,特别是如果来自于无名小卒,再加上基础来自于更久远的思想和非主流研究,那就很难有这么好的运气。我于<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">2019年开始提出用以解释新物理的镜像理论框架</a>也许就是一个很好的例子(其<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%981-%e9%95%9c%e5%83%8f%e7%89%a9%e8%b4%a8%e7%90%86%e8%ae%ba%e6%bc%94%e4%b9%89/">发展历程可参见我的博文</a>)。它起源于李政道和杨振宁1956年提出的宇称不守恒理论,其中非主流的镜像对称思想来自于1966年前苏联物理学家的工作,路径积分形式的量子场论源自费曼(Feynman)40年代的神来之笔,其他主要思想则来自于另一大家南部阳一郎(Nambu)的六、七十年代的自发对称破缺,准超对称,和夸克凝聚等等想法。所有这些基础工作都至少有四十年的历史了,许多原创者都不健在了。费曼早于1988年仙逝。李杨虽然还健在,但已是近百岁老人。镜像对称思想的原创者Okun已于2015年去世。我所喜爱的日裔物理学家南部也逝于2015年。</p><p class="">虽然我在新理论的框架下给出了<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%986-%e5%8f%af%e5%9c%a8%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e5%ae%a4%e9%87%8c%e6%a3%80%e9%aa%8c%e7%9a%84%e6%96%b0%e7%89%a9%e7%90%86/">一系列可以在实验室里检验的很精确的独有预言</a>,但我仍然在论文发表和资金申请上遇到了极大的困难。这两年多的经验让我认识到在学术垄断体制下,创新思想的生存有多不易。我衷心希望一个能更开放自由的科学研究环境能在不久的将来得以实现,比如说通过<a href="https://www.wanpengtan.com/2021/12/24/a-new-review-system-for-high-risk-high-reward-scientific-proposals/">一个更透明的支持高风险创新的评审制度(参见我的博文)</a>。只有这样,从我们的新一代科学研究人员里在各个学科中才可能涌现出更多的更年轻的张益唐!</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-25206573634784718042021-12-28T00:53:00.000-05:002022-01-05T00:07:54.539-05:00我们该坚持研究自己的最爱吗?<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p class="">知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/506338245">在当前的科研环境下,你有信心长期从事基础科学研究和颠覆性科学研究吗?</a></p><p class="">长期坚持自己最喜欢的问题的科学研究对做学术的人特别是年轻人常常是一个既美好又危险的事情。如果个人所爱恰恰是符合主流研究规范的话,那么恭贺你,你会顺利成长为一个标准的主流科学家。如果你的研究所爱特别另类,那么也恭喜你,因为这可能是具有颠覆性的创新研究。然而你可能未必完全清楚你所面临的巨大风险。</p><p><a name='more'></a></p><p class="">创新研究的成功需要三个条件:天赋能力,坚持热爱,再加上运气。除了数学以外,天赋能力未必要绝顶,足够就好。但对自己的研究要有发自内心的热爱和长期坚持的努力是绝对不可动摇的。如果你还没有财务自由,那么找一份足够相近的稳定工作会是不错的选择。就像爱因斯坦一边在专利局上班一边做自己的研究,就像张益唐在新罕布什尔州大学做讲师时对孪生素数猜想做出了突破性贡献。他们的成功有他们的好运气。更多得多的人没那么好的运气,或生不逢时,即使更聪明更努力也可能终其一生也一事无成。但机会总是留给有准备的人,如果你没有足够的能力和长期的积累,那么再好的机会也只能从你身边溜走。</p><p class="">如果你恰恰是绝大多数不那么运气的人中的一员,那么你很可能一生籍籍无名。其实这也未尝不是一件幸事,有自己的追求同时又能享受恬淡安详的人生。如果你运气爆棚真做出了颠覆性的科学贡献,特别是如果打破了主流研究的条条框框,那么在当今的学术环境下(即使是美国)你也几乎没可能立即功成名就。面临你的更可能是十、二十年的甚至更久的坎坷。也许你就此碰壁一生,直到你死后或下一代你的贡献才被认可。</p><p class="">如果你翻开真正的科学史,你会发现这样的例子数不胜数:魏格纳(Wegener)的大陆漂移学说经过四、五十年的非议在他死后才被主流学术界接受;物理学家Alvarez和他的地质学家儿子在1980年提出了小行星或彗星撞地球导致物种大灭绝的理论直到三十年后才得到主流的认可;更多的例子参见viXra.org的创始人<a href="http://web.archive.org/web/20120112012110/blog.vixra.org/category/crackpots-who-were-right/">Philip Gibbs的文章</a>。其实,更多的例子可能连历史都没有留下,特别是如果这样的贡献连发表都受阻的话,比如籍籍无名的大物理学家Stueckelberg很可能最先做出了QED的重整化理论,可惜他的论文被拒了。</p><p class="">在现今学术越来越垄断的体制下,真正打破传统的创新的生存空间也越来越窄(参见<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%b5%85%e8%ae%ba%e5%ad%a6%e6%9c%af%e8%87%aa%e7%94%b1/">博文“浅论学术自由”</a>)。这样的思想的存活几率可能更小了。也许有很多这样的创新还在萌芽中就受到打压多年,以至于我们还不知道他们的存在,对于名不见经传的创新者尤其如此。如果你是其中的一个,那么能及时出头的机会大概可能是这样:你的颠覆性创新恰好用到了一个还在活跃的权威的工作,而这个权威恰好是足够开明的并注意到你的工作(比如通过审稿),有这样的伯乐帮助才能最快上岸。</p><p class="">作为一个亲历者,我个人感触颇深。基于<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%981-%e9%95%9c%e5%83%8f%e7%89%a9%e8%b4%a8%e7%90%86%e8%ae%ba%e6%bc%94%e4%b9%89/">李杨的宇称不守恒理论,前苏联科学家的镜像思想,以及其他物理学家的断断续续的发展</a>,我大胆地在2019年提出了<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">我自己的镜像理论框架以解释标准模型外的新物理</a>。原以为在我提出<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%986-%e5%8f%af%e5%9c%a8%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e5%ae%a4%e9%87%8c%e6%a3%80%e9%aa%8c%e7%9a%84%e6%96%b0%e7%89%a9%e7%90%86/">切实可行的实验检验方案</a>之后,会有很多实验组跟进,甚至更多理论家加入进一步研究。然而现实告诉我,一个毫无名气的人是不可能有太大的号召力的,尤其是想要打破现有的条条框框。确实有欣赏我工作的物理学家,但更多的是观望者。当“权威们”突然感觉到我的研究对他们领域的“冒犯”而开始对我打压后,我更是感到举步维艰。特别是当镜像理论这个非主流研究方向的一个权威竟然也开始千方百计地封杀我的论文,我感到尤其悲哀。</p><p class="">我显然只是学术世界里的一个无名小卒。对我的思想影响最大的两个大物理学家费曼(Feynman)和南部(Nambu)都过早地去世了。镜像思想的原创者Okun等前苏联物理大家也去世了。温伯格(Weinberg)刚刚仙去,李杨又太老了。而那个对我封杀的镜像理论权威极其偏爱自己的模型而与我的理念抵触。没有伯乐的我在学术垄断的氛围里寸步难行。</p><p class="">在过去的两年多时间里,我艰难地组建合作团队准备去开展实验检验的工作。然而在资金申请上四处碰壁。当然我还是会继续努力,但各种基金会是否会给我们的团队一个机会仍未可知。新思想的境遇在<a href="https://www.wanpengtan.com/2021/12/24/a-new-review-system-for-high-risk-high-reward-scientific-proposals/">我理想中的评审制度</a>建立起来之前估计都大抵如此。幸运的是,当前的实验技术已经足够高超,只要做中子寿命测量的实验不停止(希望他们没有都转行去做nEDM),只要做K0等粒子的不可见衰变研究提上日程,那么人们终将发现我的模型所预言的反常(这当然是我的自信)。只是这一等待的时间也许是十年,也许是二十年,遗憾的是我可能未必能亲眼见证那一刻。</p><p class="">我很信奉大物理学家普朗克(Planck)的观念:新思想从来不是通过说服老权威们来建立的,而是通过新一代的成长才被接受的。于是我更愿意向年轻人传播我的理念,只有他们才能真正接过这个火炬去完成这一未竟的事业。如果你也喜欢这一新思想,同时也理解了以上所提到的风险,那么来吧,下一个幸运儿也许就是你!</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-18216089488713572182021-12-14T17:09:00.000-05:002022-01-05T00:07:54.559-05:00浅论学术自由<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p class="">知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/341309705">如何实现学术自由?</a></p><p class="">现今的学术自由(即使是在似乎最自由的美国),或者具体地说终身(tenure)制度,其实也只是一个保护所谓“成功者”或权威者的制度。这样的一种学术制度其实和威权统治社会里的政治制度是非常相似的。它非常适合精英统治下“集中力量做大事”的理念,在做大项目上效率非常高。然而,这样的土壤却让真正打破传统的新思想难以生根发芽。</p><p><a name='more'></a></p><p class="">绝大多数国家的学术金字塔结构事实上建立了从上到下的等级制度。处于塔尖的(比如中国的院士)具有决定性的话语权。这不可避免地导致学阀学派的林立,学术资源的垄断和瓜分。绝对的权利导致绝对的腐败,政治经济领域不可避免,学术领域也同样无法两全。于是学术权威们一般只允许主流思想的存在,至多容许基于大框架下的小革新的出现。而真正变革时代的新思想的涌现和发展只能依靠类似于封建社会里对“明君”的乞盼来实现。</p><p class="">下面举两个很久以前的例子来说明这种“明君”现象。现今的社会就连这样的奢望也变得极其困难。</p><p class="">大物理学家普朗克(Planck)可以说是爱因斯坦(Einstein)的伯乐。他是第一个站出来支持爱因斯坦的狭义相对论的物理学家。他还曾经说过:我们接受新科学思想不是通过说服反对的权威老科学家而是等到老人们退出历史舞台后得以熟悉新思想的年轻人才开始接受。就是这样的一个开明的科学家和量子论的缔造者,也曾经在开始的时候反对过爱因斯坦的光电效应理论和广义相对论。但他并没有进行打压,相反还多方帮助,两人也因此成了一生的挚友和忘年交。</p><p class="">希格斯(Higgs)的著名的有关希格斯质量机制的1964年的论文(赢得2013年诺奖)最开始投到 Physics Letters 期刊时被拒绝了,然后投到 Physical Review Letters 时恰好是大物理学家南部(Nambu)审稿才得以通过。而南部恰恰是更重要的粒子物理自发对称破缺机制(2008年诺奖)的提出者(他的天才想法还包括准超对称quasi-SUSY和夸克凝聚quark-condensation)。历史上,似乎只有真正的大师才会是新思想的包容者(同时代的大多数权威常常是新思想的最坚决的反对者)。而希格斯作为一个极度低产的学者在今天的物理学界几乎难以生存。要不是他1980年曾被提名诺奖,爱丁堡大学几乎不想留他。</p><p class="">那么,我们怎样才能让我们的学术社会真正回归自由?其实我们可以从生物进化和经济发展两方面中得到殊途同归的启示。</p><p class="">我们现在理解生物基因多样性对进化至关重要。那些看起来有缺陷的或无所谓的基因也许就曾在过去进化史中或将来发挥重大作用。如果我们试图把我们人类所有看起来“不好的”或无意义的基因都去掉从而打造一个“完美的”人种,那么这样一个“完美”基因物种很可能很快就会灭绝。同样地,社会进步也需要思想文化的多元开放。历史上东西方最重要的新思想文化根源就分别来自于中国的“春秋战国”和欧洲的“文艺复兴”两个“百花齐放、百家争鸣”的时代。</p><p class="">资本经济最高速发展的时期是早期的“自由竞争”。然而随着经济的进一步发展,先胜出的竞争者不免会形成行业垄断从而阻断竞争延缓发展。追求利润的资本经济逐渐找到一种解决办法,那就是建立反垄断法以及成立风险投资来保护和促进初创企业(Startup)的发展–一种行之有效的保障创新的办法。美国确实还有很多传统的百年老企业,但当今风头最劲的恰恰是那些十年二十年前的初创企业。</p><p class="">学术界的tenure制度和古代中国的“科举”有些类似。对保障精英间的自由竞争,特别是早期的人才上升通道有重要意义。然而随着规则的固化和利益团体的形成,其腐朽性开始体现。比如,学子只有精通毫无意义的八股文才有机会中举。青年学者只有追热点跟从领域权威才有机会得到tenure。任何追求本心异于众人的高风险研究对年轻人来说无异于职业自杀。</p><p class="">表面上看,促进学术Startup的机制还是存在的。美国有实力雄厚的民间资本私募基金(private foundations)非常热衷于投资科学研究。他们大都打着支持“高风险高回报”研究的旗帜。然而在实际运作中,以我个人的经验来看,他们更倾向于低风险的方向。比如,在我难得地收到的一个拒绝反馈中(大多数是黒箱操作不提供任何反馈),他们对<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">我的新想法的实验检验性和重大意义</a>非常认可,但是却指出我的新想法的领域认可度和引用(community support and citations)不够–最常用的主流判据。在我看来,他们事实上主要用来资助了一些“二流”的研究(即刚刚好没有竞争过得到政府[NSF/DOE]资助的“一流”的主流研究)。而他们的本意应该是支持那些高风险的非主流研究。</p><p class="">基础科学研究主要由两个要素决定:一个是资金支持,一个是论文发表。而这两个方面的实现机制现在还主要是专家评审制。一个最主要的弊端就是只有主流研究才会得到支持和发表。任何真正离经叛道的想法都会被扼杀在评审的摇篮里。对于支持基础研究的风险投资,一个更可行的办法也许是由非专业的或者说其他领域的开明的科学家来评审。这就避免了专家被本领域的现有的条条框框所束缚–风险投资所支持的高风险研究正是要打破这些条条框框。一个能说动“外行”的想法也许才是真正革命性的。另外一个办法就是资助尽可能多的风险项目,即尽量保证更多项目的存活,你不知道哪一个也许就是下一个火种。</p><p class="">至于论文发表,一个本来非常优秀的机制(arXiv.org)为科学家们快速自由交流新想法提供了很好的平台。然而,近些年来,这个具有最大影响力的预印本文库由主流科学家把持,开始通过不透明的管控来阻止任何非主流的论文发布(参见<a href="https://www.wanpengtan.com/2021/05/15/is-arxiv-a-monopoly-bully-in-scientific-publication/">我的博文</a>)。为了更自由的学术交流,一个非主流预印本文库(viXra.org)于2009年出台。然而其资金和影响力还远远无法和arXiv相比。基于这样一个更自由透明开放的预印本平台,通过健康的信用/评审机制来从所有预印本中提炼出的在线学术期刊(参见<a href="https://www.wanpengtan.com/2019/12/01/a-unified-publication-system-with-arxiv-based-overlay-journals/">我的博文</a>)也许才是论文发表之道。</p><p class="">以上之言并不是说我们要打压主流研究取消tenure制度,而更是想探讨一下在当前创新思想生存空间越来越窄的危机下的解决办法。这两方面其实是相辅相成的关系,健康的学术环境不可偏废一方。只是眼下学术垄断越来越严重,我们必须要为新思想的生存找到解决之道。资金支持除了直接的研究资助外还包括研究者的基本收入。比如,至少在美国社会,完全可以对所有严肃的科研人员(例如拥有博士学位的)提供独立的最低待遇。博后制度就提供这样一种待遇,但他们很少有独立的,基本上都是依附于权威的研究组。其实,NSF/DOE 甚至大学完全可以让博后独立,让他们自由加入他们感兴趣的项目,乃至他们之间的自由组合。这些低收入的职位可以是更长期的(比如5年或10年,考虑到原创的漫长过程)。低收入使得真正愿意探索的人留下来。独立使得他们不被扼杀,同时也对主流研究提供了一条从下到上的反馈机制–能吸引到更多独立博后的项目显然有其重要性。这些人就是学术领域的Startup,其中原创成功者就会进入tenure系统(类似于上市公司)。</p><p class="">这样的学术自由环境在当下学术垄断的大环境里是很难一下建立起来的,它不可避免地触动了太多既得利益者的蛋糕。但我相信,随着更多开明的科学家特别是青年人的推动,随着政治环境的改善,随着经济的增长,我们在商业领域里自由竞争的成功模式也必定会在学术领域里开花结果。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-79543496279112039402021-06-05T10:42:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.579-05:00镜像世界探秘12——未来展望<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>作为一个新的研究方向,<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">新镜像物质理论</a>正需要极大的完善和发展。特别是它的数学基础和严格性还有待奠定,相关的数学技术和手段还需要扩展。近几十年来的理论物理前沿的进展,尤其是拓扑量子场论,弦论,量子引力等方面的工作还需要融入到新的理论框架下。最重要的,新理论所预言的中性强子振荡效应正迫切地需要进一步的实验验证,有针对性的天文观测和模拟也需要在新理论框架下全面展开。</p><p class="">下面我想对这几方面的数学家和科学家分别说几句话,权作抛砖引玉之用。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p><strong>给数学家的话:</strong></p><p>Hamilton’s Ricci flow 很可能是描述<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">时空暴胀原理</a>所要求的时空维度相变的有力工具。它也似乎是量子场论里的重整化群流(RG flow)的经典对偶,或者说,RG flow 描述內廪量子空间对应的场的相变,而 Ricci flow 则描述相应的延展的经典时空的相变。一个诱人的想法是如何把 Ricci flow 或者更一般的 geometric flow 的技术应用到纤维丛(fiber bundle)理论中(即加入相变的动力学),并考虑底流形和纤维空间的对偶,由此建立一个动态的微分几何作为新镜像理论的基础。</p><p>新镜像理论似乎用到了最广泛的和最前沿的数学基础。作为量子作用量原理的费曼的路径积分形式(或者说现代量子场论)显然以微分几何为基础。而它的几率幅的概念和对场的泛函积分则需要概率论和测度论来充分理解。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">可观测性原则</a>引入了约束和对称性,其数学基础则是群论,抽象代数,代数拓扑,甚至可能包括代数几何和范畴论。量子性(非零的 Planck 常数)要求分立性,其几率幅概念则要求随机性(和素数的分布紧密相关),这些或许和数论有某种联系。</p><p>新镜像理论是<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">三个第一性原理</a>的结合的产物。很可能其数学基础需要所有这些相关数学分支的有机结合,特别是最先进的代数,几何,分析,概率/测度,乃至数论的思想和技术的大融合。</p><p><strong>给理论物理学家的话:</strong></p><p>引力和量子是同一物理实在的对偶关系(duality),静态的大一统理论并不可行。加入新镜像理论的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">三个第一性原理</a>也许是让过去的理论工作焕发青春的必要条件。弦论很可能是给定时空维度的单相的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%988-%e5%a4%a7%e7%bb%9f%e4%b8%80%e7%90%86%e8%ae%ba%e3%80%81%e6%97%b6%e9%97%b4%e7%ae%ad%e5%a4%b4%e5%92%8c%e5%a4%a7%e7%88%86%e7%82%b8/">超对称镜像模型</a>的数学工具。而类似圈量子引力(LQG)的理论可能是讨论时空维度相变的不错的手段。</p><p>经典时空是测量的基础。引力是经典时空下纯粹的经典现象。四维时空下的标准模型里的规范群和三代基本粒子是新理论的自洽性决定的。超对称(SUSY)不是提供额外的自由度,而是对应已经存在但破缺的对称性:例如,规范玻色子和物质费米子之间的规范超对称(gauge-SUSY),以及作为费米子凝聚态的类 Higgs 标量粒子与类中微子单态(无规范耦合)之间的手征超对称(chiral-SUSY)。</p><p>是CP对称性(或者等价地,时间反演对称性)把基本粒子加倍成正反两种自由度。是镜像对称把其再加倍成普通和镜像两类。最后对应四个几乎完全独立分开的粒子集(sectors),其来源就是四维时空的洛伦兹群 O(1,3) 的四个非单连通的组分。由此,量子场论的拓扑性质对于新物理来说尤其重要。而量子场论的进一步发展需要用到各方面的数学进展,特别是前面提到的 Ricci flow 和 RG flow 等等拓扑技术。</p><p><strong>给实验学家和天文学家的话:</strong></p><p>新镜像理论所预言的一种普适的中性强子的振荡效应已经<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%986-%e5%8f%af%e5%9c%a8%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e5%ae%a4%e9%87%8c%e6%a3%80%e9%aa%8c%e7%9a%84%e6%96%b0%e7%89%a9%e7%90%86/">完全可以在实验室里得到检验</a>。现有的实验技术已足够成熟来对新理论独有的预言进行验证,并可以对模型参数给出精确的测量。特别是,对中子寿命反常的探测可以在各种尺寸的超冷中子磁阱(magnetic trap)里进行,其反常数值在狭窄磁阱里甚至很容易超过上百秒。普通-镜像中子(n-n’)的共振振荡效应可以在超强磁场(100 T 的量级)中观测到,表现为高达25%的中子消失率。</p><p>对实验粒子物理学家来说,其他中性介子和重子的振荡效应表现为<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%9811-cp%e5%92%8c%e9%95%9c%e5%83%8f%e5%af%b9%e7%a7%b0%e7%a0%b4%e7%bc%ba%e4%b9%8b%e8%b0%9c%e4%b8%8e%e4%b8%8d%e5%8f%af%e8%a7%81/">不可见衰变(invisible decays)</a>。最重要的不可见衰变测量的候选者包括:(K<sup>0</sup><sub>L</sub>-K<sup>0′</sup><sub>L</sub>) 9.9 x 10<sup>-6</sup>, (K<sup>0</sup><sub>S</sub>-K<sup>0</sup><sub>S</sub>) 1.8 x 10<sup>-6</sup>,(Λ<sup>0</sup>-Λ<sup>0</sup>’) 4.4×10<sup>-7</sup>,等等。其他涉及更重夸克的振荡(比如 D<sup>0</sup> 和 B<sup>0</sup>)也许在不太久远的将来也可以测到,并最终帮助我们确定所有夸克的普通-镜像混合参数。</p><p>在宇宙模型(比如 ΛCDM)中加入新镜像理论可以帮助我们更好地定量地理解早期宇宙的演化和大尺度结构的形成。在<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%982-%e6%81%92%e6%98%9f%e6%bc%94%e5%8c%96%e5%92%8c%e5%85%83%e7%b4%a0%e5%90%88%e6%88%90%e4%b9%8b%e8%b0%9c/">恒星演化模型(包括超新星模型)中加入 n-n’ 振荡效应才能真正帮助我们理解很多有关恒星后期演化的疑难</a>。对<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%984-%e8%b6%85%e9%ab%98%e8%83%bd%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%b0%84%e7%ba%bf%e4%b9%8b%e8%b0%9c/">超高能宇宙射线</a>的测量也许是观测镜像天体的不错的方式,同时对更强的第二个 GZK 截断的观测也能帮助确定宇宙中镜像物质的温度。引力透镜效应可以帮我们勾画出宇宙中镜像物质的分布。如果我们附近存在镜像天体(例如镜像行星),那么任何电磁手段都无法探测到,但通过反常引力效应我们应该可以“感受”到它的存在。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-46981587872917124832021-05-09T23:56:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.599-05:00超对称理论彻底失败了吗?<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/20640717">超对称理论彻底失败了吗</a>?</p><p>超对称(supersymmetry 或 SUSY)是在上世纪 70 年代为了在量子场论中引入费米子(fermions)和玻色子(bosons)之间的对称性而提出来的。特别是在 Coleman–Mandula 定理的发表后,超对称成为了非平庸地连接时空和其内廪空间对称性的一条途径。由于超对称的引入,物理模型通常会有更好的特性,特别是可重整性(renormalizable)。</p><a name='more'></a><p>尽管超对称可能作为超弦理论的对称性最有名,但其实它还被用在很多其他基础理论的研究中,比如最小超对称标准模型(Minimal Supersymmetric Standard Model),超引力等等。甚至这一概念还被应用到其他的物理分支中。但几乎在所有的基础物理模型中,超对称都是作为一个新对称性而引入一套新的超粒子,可能一个重要的背后动机就是希望用较轻的超粒子来解释暗物质。</p><p>然而近一二十年的实验技术进步让以上讨论的超对称概念受到了严肃的质疑。一方面,欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)运行十年来没有在各种模型所预言的能区内找到任何超对称粒子的迹象。另一方面,寻找暗物质(特别是候选粒子WIMP)的技术越来越灵敏,但是除了不断进步的探测下限,同样没有测量到这样的超粒子的迹象。于是近些年,不但象应用超对称的超弦理论受到声讨和质疑,就连超对称这个概念本身都处于被抛弃的边缘。</p><p>但是我们很难相信超对称作为一个极其优美的物理概念在自然界中得不到体现。一个最大的可能是我们过去对超对称的理解出现了偏差。问题可能就在于人们一直是通过超对称人为地引入了一组新的粒子。可如果超对称本来就已经体现在我们已知的基本粒子体系中了呢?更自然的超对称不应该是物质费米子和规范作用玻色子之间的对称性吗?</p><p>事实上,南部阳一郎(Nambu,2008 诺奖得主)在80年代末的会议报告中曾经提出过类似的这种更自然的他称之为“准超对称”(quasi-SUSY)的思想,即在已知模型内(比如标准模型)建立一种费米子和玻色子的自由度的平衡。然而这样的思想未被主流采纳,一个重要的原因是已知的标准模型内有太多的费米子自由度(夸克和轻子一共有 90 个),同时规范玻色子的自由度太少(包括胶子、光子、W± 和 Z 一共才 27 个)。而且这些粒子的质量千差万别,很难想象它们会来自同一个超对称多重态(SUSY multiplet)。</p><p>显然,要想恢复这样的超对称概念,我们就要找到缺失的玻色子自由度,同时还要找出一种自发对称破缺的机制来实现它。最近提出的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">新镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>恰恰可以解决这一难题,特别是它用三个基础物理的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">第一性原理:量子变分原理、可观测性原则、时空暴胀原理</a>(参见论文“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#fp">First principles of consistent physics</a>”)来构造了超对称镜像模型(<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">Supersymmetric Mirror Models</a>)并用来解决很多基础物理和宇宙学的谜题。其详细内容和讨论可以参见我的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/">《镜像世界探秘》</a>的系列文章。</p><p>在新理论中,可观测性原则给出了关键的镜像对称和超对称以及其他对称性束缚。镜像对称是时空流形的定向对称性,是宇宙诞生的第一个对称性,它的自发破缺导致时间箭头的出现及二维时空的涌现(emergent)。而超对称是二维及以上时空的一个自然要求,它保证了物质费米子和规范玻色子之间的对称性的平衡。并且在之后自发对称破缺包括暴胀和相变的过程中,费米子凝聚态所对应的标量场(包括4维情况下的 Higgs)和余下的费米场也构成了一种形式上的伪超对称。在新理论框架下,是镜像对称而不是超对称给出了新的一套粒子,即类似于普通基本粒子的镜像粒子。</p><p>由于时空超对称的限制,在不同时空维度下将会有不同粒子场及其之间的规范相互作用。比如,二维时空下是马约拉那(Majorana)费米子和 U(1) 规范玻色子,并且各有两个自由度。在4维延展的时空下,费米子才会是狄拉克(Dirac)类型的,并且才会有更复杂的规范相互作用。</p><p>至于我们今天看到的4维时空下的标准模型的复杂性,特别是标准模型里几乎不可辨认的破缺的超对称,则是归功于新理论提出的分级夸克凝聚(staged quark condensation)机制。在此系列相变(包括电弱和 QCD 相变)下,六味夸克会凝聚成六个不同能标下类 Higgs 的标量场,LHC 所测到的 Higgs 只是其中最重的顶夸克(top quark)的凝聚态。这导致了已知基本粒子的千差万别的质量等级,特别是中微子的微小质量。而大量玻色子自由度的缺失,是由于夸克凝聚后其 U(6) 味规范作用破缺所生成的伪NG-玻色子(pseudo-Nambu-Goldstone bosons)。换句话说,它们其实隐藏在我们已经熟知的作为夸克复合体的介子自由度中了(比如,π 介子和 K 介子)。只有撕掉它们的伪装,我们才能找到迷失的超对称。</p><p>如果我们仔细数数就会发现,标准模型下的费米子和玻色子(包括伪NG-玻色子)的自由度都是90,也就是说它们正好可以构成一个伪超对称多重态。“伪”在这里是指自发对称破缺导致质量的生成同时真空态的对称破缺,超对称只是形式上而不是严格意义下的保留。在新理论里,标准模型还要加上一个几乎一样的镜像扩展,即镜像费米子和玻色子的自由度也都是90,也满足伪超对称性。这些镜像物质正是构成了我们今天想看却无法“看到”的暗物质。</p><p>新镜像理论告诉我们,超对称不但没有失败,而且在基础物理里得到了完美的体现。可观测性原则诱导出的超对称与镜像对称及其全新理解奠定了我们描述大千物理世界和宇宙演化的基础。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-10042588791623031172021-05-09T22:21:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.618-05:00教育的目的和意义<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><dl><dt>知乎问题:</dt><dd><ul><li><a href="https://www.zhihu.com/question/20107558">教育的本质是什么?教育是什么?</a></li><li><a href="https://www.zhihu.com/question/275132077">不知道教育的目的和意义,而接受的教育,有什么意义?</a></li></ul></dd></dl><p>教育是人类社会的一个大课题。在我看来,人类有别于其他生物的两个最重要的活动就是教育和创新(Education and Innovation)。而这两项活动是紧密联系在一起的,也是保证人类社会持续的传承和发展的基本方式。</p><p>在我的一篇英文博文中(<a href="https://www.wanpengtan.com/2020/04/22/a-dream-world-and-society/">A dream world and society</a>),我曾经就教育和创新在构建开放的理想社会理念里所起到的决定意义进行了较深入的讨论。这里我将对这一想法作进一步梳理并用我的母语中文来展现给大家。</p><a name='more'></a><p>显然,教育有两个最重要的相关的功能:一个是保证既有知识和文化的传承,一个是加强个体的创新能力从而推动文明与社会的进步和发展。这两个功能是相辅相成的,没有创新的传承不过是死水一潭,没有传承的创新则是无本之木难以为继的。</p><p>在我们具体谈论这些教育的功能和怎样进行教育的问题,我们首先来看看教育的深层意义。一个很朴素的观点就是,教育可以普遍提高人类的素质(最广义的含义,包括知识,技能等等综合能力)从而促进社会的发展。注意这里及以下讨论的素质(competence)包括但不等于智力(intelligence)。然而如果用一个简单的素质平均值的提高则显然过分简化了问题。一个更实际的模型至少要考虑从心理学上发现的 <strong>Dunning-Kruger 效应</strong>。</p></div></div></div></div><figure class="wp-block-image"><p class="mod-reset"><img src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/46/Dunning%E2%80%93Kruger_Effect_01.svg/512px-Dunning%E2%80%93Kruger_Effect_01.svg.png" alt="Dunning–Kruger Effect"></p><figcaption>Courtesy of wikimedia.org</figcaption></figure><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>Dunning-Kruger 效应揭示了一个人的自信(confidence)和其素质(competence)并不是完全正向单调相关的,特别是有些素质低下的人会自信心爆棚,而很多高素质的“大师”们往往很低调谦逊。在 Dunning-Kruger 曲线中我们看到一个及其危险的“愚蠢峰”(Mount Stupid)。其原因则是,推动社会走向的是拥有高自信心的所谓的“强者”(包括“愚蠢峰”顶的人),而不一定是有高素质的人群。</p><p>如果一个社会是由一群处于“愚蠢峰”的自信心爆棚的人主导,那就会常常导致灾难人祸的发生,比如战争。而社会上流行的偏见和歧视也肯定是受到“愚蠢峰”的人群的影响。至于各种各样的形形色色的极端主义,法西斯主义,种族主义,等等更是“愚蠢峰”的猖獗表现。</p><p>而现代科学的进展,特别是新物理理论-<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">最新的镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>研究(详情参见我的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/">《镜像世界探秘》</a>的系列文章),已经启示我们宇宙和客观世界一直处于一个动态开放并伴有一系列相变的演化当中。这意味着我们的社会也应该是一个开放式发展的并不断质变进步的社会。而推动社会良性演化的机制就是教育和创新。</p></div></div></div></div><figure class="wp-block-image size-full is-resized"><p class="mod-reset"><img loading="lazy" class="wp-image-284" src="https://www.wanpengtan.com/files/2020/04/dk.png" alt="Extended Dunning-Kruger Effect" width="480" height="360" srcset="https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2020/04/dk.png 640w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2020/04/dk-300x225.png 300w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2020/04/dk-250x188.png 250w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2020/04/dk-550x413.png 550w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2020/04/dk-240x180.png 240w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2020/04/dk-400x300.png 400w" sizes="(max-width: 480px) 85vw, 480px" /></p><figcaption>Extended Dunning-Kruger Effect from https://www.wanpengtan.com</figcaption></figure><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>在这样的开放社会的图景下,一个对 Dunning-Kruger 效应的自然的推广就是,其自信-素质曲线由一系列振荡的但不断改善的“愚蠢峰”表达。而<strong>教育的真正意义就是让人类翻越这一个又一个的“愚蠢峰”</strong>,从而最终走向一个高素质也高自信的渐近理想社会。</p><p>显然,第一个“愚蠢峰”是最危险的。如果有太多人群待在这些低阶的“愚蠢峰”,那么这样的社会就会是危险的不安定的。反之,如果大多数人通过良好的教育具有高阶的素质,即使都处于一个高阶的自信低谷里,这样的社会也会是良性和健康的。特别是人类科学技术的进步使得我们能掌握越来越强大的力量,而如果我们教育的失败导致太多人仍被留在低阶的“愚蠢峰”,那么人类作为一个物种走向自我毁灭的风险也不是不存在的。</p><p>创新是一把双刃剑,它是否成为人类发展的真正助力取决于教育是否成功。这注定我们的<strong>教育必须是普惠的</strong>(额外的好处是机会公平和阶层流动)。否则大量留在低阶的“愚蠢峰”的没受过良好教育的人群,可能会利用技术进步的邪恶一刃而给社会造成危险,可能是战争动乱,也可能是恐怖活动,可能是骇客行为,也可能是极端主义。</p><p>教育于是成为了我们人类持续发展并同时避免灭绝的最可靠的手段。我们只有尽最大可能地提高全体人类的素质,我们才能真正享受技术进步的红利。当人类社会越来越先进的时候,教育的意义也就越大,因为低阶的“愚蠢峰”的风险后果也越来越大。</p><p>当然,我们也要看到个体的差异性。Dunning-Kruger 效应对单一个体会存在差异。素质“天才”们的曲线可能更平滑,或者其“愚蠢峰”更窄而能象量子隧道效应一样更容易穿过。正是这些“天才”们引领着人类在科学技术、人文艺术等等领域的创新活动,进一步丰富了我们的教育内容,奠定了人类翻越下一个“愚蠢峰”的基石。</p><p>然而,每一个时代的精英或专家常常是那些站在最高级的“愚蠢峰”的顶峰的人。他们当然会藐视那些处在低阶“愚蠢峰”峰顶的人(很可能也占据着社会的重要位置),但他们也很可能阻碍那些已经穿过此峰正在通往下一个峰顶的走在谷中的探索者。这就是<a href="https://www.wanpengtan.com/2020/09/05/how-can-a-new-idea-be-accepted-by-eminent-physicists/">为什么新思想新理论在被主流社会接受前都会经受很大的磨难</a>。这也是为什么大物理学家普朗克(Planck)感慨一个科学真理不可能通过说服老专家而只有等反对它的老专家死去然后新一代成长起来才能被接受。</p><p>回到教育这个主题,为了避免“愚蠢峰”权威对创新的阻碍,除了普惠性,<strong>教育还应该具有最广泛的包容性和多样性</strong>。这样才能保证那些行进在最前沿的探索者不被高高在上的“愚蠢峰”顶的人所扼杀,从而保持人类的创新活力。历史上,文明进步非常显著的两个例子就是中国的春秋战国时代和欧洲的文艺复兴时期。一个最重要的特点,就是当时的文化多元性,大量学说和观念的交融,这样的开放的社会恰恰促进了它的大发展。而那些历史上的黑暗时期也反证了一个开放包容社会的必要性。</p><p>要想保证一个社会的开放流动性,教育是一个必不可少的途径。社会的阶层固化会是一个非常危险的信号,如果不想通过暴力的方式改变,那么只有通过教育和创新的良性办法。教育可以使底层的人有机会升入到社会的精英阶层。在一个足够富足的社会(比如美国),一个全民免费的至少直到大学的普惠教育将是大势所趋。只有这样,我们才能真正最大限度地发挥人类个体的最大潜能,向着稳定和谐的理想社会更进一步。</p><p>【补注于 2021/05/11】:</p><p>其实,本文中的“素质”(competence)是一个开放的概念,可能只能在社会的不断发展中无限渐近地接近一个理想的定义。但对我来说,它至少包括科学技术的能力,人文艺术的熏陶,和社会实践的领悟,等等。也就是说这是一个多维的概念,因此 Dunning-Kruger 效应不仅仅是一个简单的曲线,而应该是一个更复杂的“高维流形”。本文将其简化为一维只是为了方便讨论。</p><p>特别是,每个人的“素质”天赋表现也是千差万别的。一个人几何强,可能代数会弱;音乐有绝对音准,可能绘画只是一般;商业头脑厉害,可能法律政治敏感度会差一些。至于跨越更大行业的天赋差距可能就更大了。拥有多项天赋的天才是极其少见的,通晓一切的全才是不存在的。正所谓隔行如隔山,一个领域的高素质专家在另一个领域可能就是那些处于低阶“愚蠢峰”的危险人群。</p><p>“道德”可能也是一个演化开放的概念。空泛的讨论道德可能没有太大意义。放到更具体的领域和/或时代背景中去研究道德,我们可能才能真正发掘出它的意义。具体到关于“素质”的讨论,道德大概可以看作引领着每一项素质教育的“好”(即“真”,“善”,“美”)的方向:科学技术求“真”,人文艺术求“美”,社会实践求“善” (参见博文“<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e7%94%9f%e5%91%bd%e7%9a%84%e6%84%8f%e4%b9%89%e6%98%af%e4%bb%80%e4%b9%88%ef%bc%9f/">时间对称破缺导致的生命的意义</a>”)。显然,它的具体的含义只能体现在具体的活动中,并不存在一种放之四海而皆准的标准。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-15888880141821963102021-05-07T23:50:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.636-05:00引力的本质和来源<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/26853364">引力的本质是什么</a>?<a href="https://www.zhihu.com/question/19824220">它又是如何产生的</a>?</p><p>历史上人们对引力的理解经历了两次重大的飞跃。第一次是牛顿的万有引力定律,引力作为一个普适的物理规律被理解为作用于所有物体之间,特别是宇宙中无处不在的奇妙的天体之间。第二次是爱因斯坦从第一性原理出发创立了广义相对论,把引力重新理解为4维时空的几何现象。然而 Penrose 和 Hawking 在六、七十年代证明了广义相对论将不可避免地导致时空奇点(比如黑洞)的产生,预示着广义相对论在极端时空条件下的失效。</p><a name='more'></a><p>更新的进展是人们开始把引力与热力学联系在一起。这大概最早源自 Bekenstein 和 Hawking 在上世纪 70 年代引入的黑洞熵的概念。如果我们把黑洞的视界面积看作是一种熵的度量的话,我们发现黑洞会拥有热力学定律一样的性质。特别地,黑洞会拥有温度(尽管非常低,大约只有 10<sup>-8</sup> 开氏度),且能自发地发出所谓的 Hawking 辐射。</p><p>Jacobson 于 1995 年在著名物理期刊 <a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.1260">Phys. Rev. Lett. 上发表了一篇论文</a>,从纯热力学的角度推导出爱因斯坦的引力方程,并把场方程拉下神坛:从作为基本相互作用的描述到“降级”为物态方程(equation of state)。Verlinder 在 2010 年<a href="https://arxiv.org/abs/1001.0785">进一步发展了这一思想</a>,提出了引力是一种熵力(entropic force)。这似乎预示着引力可以不再被看作是一种基本的相互作用。</p><p>这些想法似乎都有一定道理,然而引力的面纱直到最新的镜像理论框架的建立才真正得以揭开。在<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">最新的镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>中,我们利用三个基础物理的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">第一性原理:量子变分原理、可观测性原则、时空暴胀原理</a>(参见论文“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#fp">First principles of consistent physics</a>”)来构造了超对称镜像模型(<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">Supersymmetric Mirror Models</a>)并用来解决很多基础物理和宇宙学的谜题。其详细内容和讨论可以参见我的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/">《镜像世界探秘》</a>的系列文章。</p><p>在新理论框架下,引力是一个纯粹的经典现象,即它描述了时空维度暴胀后的平滑的时空几何。而对应的量子现象由未延展的内廪空间(uninflated or fiber space)的规范理论来决定。经典引力和量子物理只是同一个动态演化的物理实在的两面性(duality)表象。换句话说,引力和量子场及其规范作用都是在时空相变下在不同维度中涌现的(emergent)现象。</p><p>在这样的意义下,引力和其他的基本相互作用是一样的基本,或一样的不基本。前面的对引力的类似于热力学的粗粒化描述在数学上是有效的,但考虑到时空相变,这样的平均场理论可以不再被看作是近似的而是严格的。下面我们看看引力是怎样在时空相变下演化的。</p><p>在宇宙诞生之初,只有一维时间,而一维流形不存在内廪曲率,也就是说引力还不存在。随后,<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%988-%e5%a4%a7%e7%bb%9f%e4%b8%80%e7%90%86%e8%ae%ba%e3%80%81%e6%97%b6%e9%97%b4%e7%ae%ad%e5%a4%b4%e5%92%8c%e5%a4%a7%e7%88%86%e7%82%b8/">时间反演对称的破缺</a>以及另一维空间的暴胀最终形成二维时空。引力是在时空从一维到二维的相变中才诞生的。在这一暴胀过程中,时间对称性的破缺导致时间箭头的出现,同时保证了非常小的引力常数 G。</p><p>一般地,二维时空可以由引力方程 R+2Λ = -8πGT = 0 描述, 其中 R 是 Ricci 曲率标量,Λ 是标量场导致的暗能量或者说宇宙学常数,T 是物质能量-动量张量的迹。T=0 意味着物质场是无质量的(massless),对应着满足超对称的马约拉那(Majorana)费米子和 U(1) 规范玻色子。这一2维引力方程可以描述早期宇宙的双重空间暴胀(double space inflation)过程或者是星核塌缩成黑洞的过程。这一理论可以有效地避免时空的奇点,同时<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%9810-%e4%b8%87%e6%9c%89%e5%bc%95%e5%8a%9b%e5%92%8c%e9%bb%91%e6%b4%9e%e4%b9%8b%e8%b0%9c/">黑洞的内部可以用一个真正的二维空间描述</a>。</p><p>宇宙接下来的双重空间暴胀最终生成我们现在感受到的4维时空。这4维时空是延展的黎曼几何,引力方程也因此演变成爱因斯坦的广义相对论。而其他还处在微缩萌芽状态中的内廪空间则给出了粒子物理的标准模型及其镜像扩展。由于自洽性的要求,这些内廪维度不能继续暴胀。这就是为什么我们现在仍处于4维时空中。然而在我们宇宙的某些局部,比如大质量的恒星或星系核,引力是如此强大,以至于4维时空重新被局部塌缩为2维时空下的黑洞。</p><p>新理论对基础物理和宇宙包括引力给出了一个优美的理解。但是我们仍然有很多未知。比如,黑洞的质量是否有上限,或者说2维的黑洞是否会被进一步压缩,甚至重新回到零维的量子混沌?还比如,时空相变作为一种临界现象的具体过程是否能由某种分立的量子引力理论完全给出?特别是能否从第一原理出发给出引力常数 G 的实际数值?显然,我们需要新一代物理学家们在新理论的基础上继续这一永恒探索的征程。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-2977044296181291142021-05-07T20:51:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.652-05:00镜像世界探秘11——CP和镜像对称破缺之谜与不可见粒子衰变的探测<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>量子场论里有一个著名的 CPT 定理,即洛伦兹协变的定域量子场论在电荷共轭 C(charge-conjugation)、宇称 P(parity)、和时间反演 T(time reversal)的共同变换下保持不变。杨振宁和李政道在1956年的论文以及吴健雄随后的 Co-60 的衰变实验首先预言和证实了弱作用里的宇称不守恒。不到十年后,在中性 K<sup>0</sup> 介子的衰变中又发现了 CP 也是不守恒的。根据 CPT 定理,这意味着时间反演 T 也是不守恒的。</p><p>在<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">最新的镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>,特别是系列<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">超对称镜像模型(supersymmetric mirror models)</a>中,我们知道了一个更基本的分立对称性,即镜像对称(mirror symmetry)或时空流形的定向对称(orientation symmetry)。在一维时间流形下,镜像对称同时也是时间反演对称,并成为了宇宙涌现(emerge)的第一个对称性,紧接着它的破缺导致了<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%988-%e5%a4%a7%e7%bb%9f%e4%b8%80%e7%90%86%e8%ae%ba%e3%80%81%e6%97%b6%e9%97%b4%e7%ae%ad%e5%a4%b4%e5%92%8c%e5%a4%a7%e7%88%86%e7%82%b8/">时间箭头的诞生</a>。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>宇宙演化至今日,我们的4维时空按照<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">前面讨论过的第一性原理</a>必须遵从洛伦兹(Lorentz)对称性,即 O(1,3) 群。此群包含两个 Z2 对称子群,一个是镜像对称,另一个就是时间反演对称。对应的量子化的粒子场也拥有这两个对称性,其中镜像对称使得物质世界分成两套几乎独立的普通和镜像基本粒子及其各自的规范相互作用。另一个时间反演对称(由 CPT 定理) 也等价于 CP 对称。</p><p>在4维时空下,反粒子可以看作是逆时间运动的正粒子,这也是 CP 对称常常被称为真正的正反粒子对称的原因。大概也正是由于这种明显的正反物质对称的存在,人们忽视了还存在普通和镜像物质之间对称的可能。而实际上,镜像和 CP 对称共同导致了4个几乎独立的物质组分(即正物质、反物质、镜像正物质、和镜像反物质)。</p><p>在早期宇宙温度大约为 100 GeV 到 100 MeV 之间发生了分级夸克凝聚(staged quark condensation)导致的自发对称破缺(包括电弱和 QCD 相变),这也同时导致了镜像和 CP 对称的破缺。因此,正反物质之间和普通与镜像物质之间在某些特定情况下也存在了微弱的混合(mixing)或振荡(oscillation)效应。中微子振荡也是类似的,不过对应的是代对称的破缺。</p><p>显然,振荡发生的条件要求体系必须是中性的,不能带有任何规范作用的荷(包括我们熟知的电荷)。对 CP 和普通-镜像振荡来说,则只能是中性强子参与。</p><p>这样的振荡效应是一种拓扑效应,可以由两个参数来刻画,一个是粒子之间的混合强度,一个是两个本征态之间的质量差。特别是,对称性对应的本征态和相应的质量本征态不重合,而且质量本征态之间的质量差不为零,这样振荡才能发生。</p><p>于是一个很自然的猜测就是也许这两个分立对称性的破缺来自于相同的自发对称破缺机制,即具有相同的质量差。在特定的体系(K<sup>0</sup> 介子)中,CP 和普通-镜像振荡同时存在,很可能它们具有相同的振荡参数。</p><p>幸运的是,K<sup>0</sup> 介子的 CP 振荡效应已经被非常精确地测量了。实验上它的混合角被测为,sin(θ) = 0.002228 (11)。它的两个质量本征态分别被称为长寿命和短寿命的 K<sup>0</sup><sub>L</sub> 和 K<sup>0</sup><sub>S</sub> 介子,两个寿命(在纳秒量级左右)也已经被精确地测定。这给出了一个非常精确的 K<sup>0</sup> 质量差为 3.484 (6) x 10<sup>-6 </sup>eV。</p><p>前文我们介绍过将镜像理论应用到<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%983-%e6%a8%a1%e5%9e%8b%e5%bb%ba%e7%ab%8b%e4%b8%8e%e4%b8%ad%e5%ad%90%e5%af%bf%e5%91%bd%e5%92%8c%e6%9a%97%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b9%8b/">中子寿命反常,暗物质</a>,和<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%985-%e4%b8%8d%e5%af%b9%e7%a7%b0%e7%9a%84%e6%ad%a3%e5%8f%8d%e7%89%a9%e8%b4%a8%e5%92%8c%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%9d%a5/">正反物质不平衡</a>的研究。不难发现,这些研究所要求的普通-镜像振荡参数与上面实验测到的 CP 振荡参数惊人的相似,误差在两、三倍之内。这是对新镜像理论的一个强有力的支持。</p><p>下面我们假定 CP 和普通-镜像振荡在 K<sup>0</sup> 介子体系里拥有一样的参数。借用精确的 CP 测量值,我们可以对很多中性强子体系的不可见衰变(invisible decays)做出意外显著的非常精确的预言。通过普通-镜像振荡,高能物理实验产生的普通中性强子会振荡成镜像强子,而镜像强子无法被普通物质组成的探测器检测到,这样的凭空消失就叫做不可见衰变。</p><p>粒子物理的标准模型可以计算出另一种不可见衰变模式,即中性强子衰变成中微子对的几率。由于衰变产物只有中微子,而我们对中微子的探测效率低得令人发指,从实验角度看中性强子就象凭空消失了一样。所以这样的衰变也被称为不可见衰变。标准模型算出的两个这样的分支(衰变成一对和两对中微子的情况)都非常低,远远小于总衰变宽度的万亿分之一。换句话说,标准模型预测的不可见衰变分支比太低,还远远达不到可测量的程度。</p><p>尽管如此,随着实验技术的发展和追寻新物理的动机,人们还是尝试着去测量这样的不可见衰变。特别是,对 π <sup>0</sup>,D<sup>0</sup>, B<sup>0</sup> 等等较短寿命的粒子系统的测量。如果能测到这样的衰变,那么就将给出一个超越标准模型的重大发现。但是新镜像理论对所有这些测过的体系都给出了非常低的预言,所以实验上观测不到也就不奇怪了。</p><p>然而,对于寿命较长的中性强子,新镜像理论预言了非常大的可测的不可见衰变的分支比。对中子而言,这样的效应就是我们前文讨论过的中子寿命反常。对 K<sup>0</sup> 介子,预言的这个分支比会超过百万分之一的量级,更精确地说,对长寿命的 K<sup>0</sup><sub>L</sub> 是 9.9 x 10<sup>-6</sup>,对短寿命的 K<sup>0</sup><sub>S</sub> 是 1.8 x 10<sup>-6</sup>。这在当今的实验技术条件下完全是可以测到的,但是很不幸至今还没有实验团队测量过 K<sup>0</sup> 介子的不可见衰变。</p><p>欧洲核子中心(CERN)的 NA64 实验团队在其加速器升级前,曾经计划进行这样的实验。然而由于技术故障,他们没有做成。紧接着由于新冠病毒的耽误,CERN 的升级受到影响,但好在其加速器也开始逐步恢复运行。也许在不久的将来,NA64 就会真正进行这一期待已久的实验。</p><p>另一个最可能被测到的不可见衰变来自(Λ<sup>0</sup>-Λ<sup>0</sup>’)振荡。Λ<sup>0</sup> 重子由 3 个夸克(uds)组成,只比中子稍微重一点,并且它的寿命也比较长(2.6×10<sup>-10</sup> 秒)。最新的估算给出其不可见衰变的分支比达到 4.4×10<sup>-7</sup>,应该也在现有实验技术的可测量范围之内。事实上,所有以上提到的强子其实都是非常容易产生的,根本不需要最高能(TeV 量级)的加速器(例如 LHC)。很多较低能(GeV)的加速器,如果亮度足够,会更适合做这些测量。</p><p>北京正负电子对撞机的谱仪装置(BESIII)就可以展开类似研究。BESIII 在现有条件下对 K<sup>0</sup><sub>L</sub> 可能还无法完全覆盖,但对短寿命的 K<sup>0</sup><sub>S</sub> 介子则没问题,其不可见衰变探测也刚好能达到新模型所预言的 10<sup>-6</sup> 的灵敏度。下一代的中国高能物理大设备 STCF(Super Tau Charm Facility)肯定会对 K<sup>0</sup> 和 Λ<sup>0</sup> 的不可见衰变做出更精确的测量,但它的建成并投入使用恐怕还得需要至少十年。</p><p>新镜像理论还预言了其他强子的相对较高的不可见衰变的分支比:3.6 x 10<sup>-8</sup>(Ξ<sup>0</sup>),1.6 x 10<sup>-10</sup>(D<sup>0</sup>),4.4 x 10<sup>-10</sup>(B<sup>0</sup>)。也许在不久的将来,很多低能的加速器都开始专注测量这些新理论所预言的不可见衰变。人们甚至可以进一步发展探测技术去测量更微弱的中性强子振荡,特别是含有更重夸克的强子。这些测量将使我们能最终确定所有夸克的普通-镜像混合参数,从而对新镜像物质理论做出全面检验。</p><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#invisible">Invisible decays of neutral hadrons</a>”</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-2576189922649303702021-05-05T20:47:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.668-05:00镜像世界探秘10——万有引力和黑洞之谜<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>万有引力的研究几乎和现代自然科学有一样长的历史。早在18世纪在牛顿的引力理论框架下,Laplace 和 Michell 就曾讨论过当天体质量足够大时光也无法逃逸-从而提出了黑洞的概念。在爱因斯坦建立了现代的引力作为时空几何的理论-广义相对论不久,Schwarzschild 就从爱因斯坦方程获得了第一个现代的黑洞解。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>Schwarzschild 的黑洞解是最简单的球对称的静态解。但已足够展示了很多黑洞的神奇性质。黑洞的事件视界(event horizon)-物质乃至信息都无法逃逸的边界和它的质量M 有很简单的关系,即视界半径 r = 2GM。在视界处,其解存在一个表观的奇点,但通过坐标变换可以去除。然而在黑洞中心(r=0)的奇点却根本无法去除。这暗示着也许4维时空下的广义相对论在视界内是不成立的,或者说黑洞需要新物理。</p><p>这需要的新物理很可能就是我们一直在讨论的超对称镜像模型(<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">Supersymmetric Mirror Models</a>)。在<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">最新的镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>中,我们利用三个基础物理的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%989-%e7%ac%ac%e4%b8%80%e6%80%a7%e5%8e%9f%e7%90%86/">第一性原理:量子变分原理、可观测性原则、时空暴胀原理</a>(参见论文“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#fp">First principles of consistent physics</a>”)来构造了超对称镜像模型并用来解决很多基础物理和宇宙学的谜题。</p><p>新理论告诉我们,引力只是一个经典现象,即描述了暴胀后的平滑的时空几何。显然其具体的描述取决于延展的时空几何 的维度。而对应的量子现象则由未延展的内廪空间(uninflated or fiber space)的规范理论来决定。对于黑洞,新理论给出了一个非常自然的理解:在视界处,时空经历了从四维到二维的相变;而视界内部的黑洞则是一个真正二维的世界。</p><p>在视界外面,量子世界由4维时空下的超对称镜像模型 SMM4b 刻画,同时平滑的4维时空由广义相对论描述。SMM4b 就是标准模型的一个镜像拓展,即加上另一套极为类似的镜像基本粒子及其镜像规范相互作用。</p><p>一般地,二维时空可以由引力方程 R+2Λ = -8πGT = 0 描述, 其中 R 是 Ricci 曲率标量,Λ 是标量场导致的暗能量或者说宇宙学常数,T 是物质能量-动量张量的迹。T=0 意味着物质场是无质量的(massless)。Λ 不等于零的情况对应早期宇宙时的双重空间暴胀(double space inflation)过程或者是星核塌缩成黑洞的过程。在静态黑洞视界内部,Λ=0,于是 R=0,也就是说是 Ricci 平坦的。这导致黑洞内部也可以由一个简单的二维共形场论(conformal field theory – CFT)来描写。</p><p>黑洞内部的量子世界由二维超对称镜像模型 SMM2 描述。此模型非常简单,是一个 N=1 的2维超对称模型。由无质量的马约拉那(Majorana)费米子和 U(1) 规范玻色子构成了一个阿贝尔规范超对称多重态(abelian gauge SUSY multiplet),并且它们之间没有耦合。这意味着黑洞内部的量子世界是理想流体(perfect fluid),和对应的二维时空引力方程完全一致。</p><p>特别地,由马约拉那费米子和规范玻色子(各两个自由度 nb = nf = 2)构成的理想流体拥有所谓的有效的相对论性自由度(effective number of relativistic degrees of freedom)g* = nb + nf/2 = 3 恰好就是二维共形场论里的 Virasoro 代数的中心荷 c。</p><p>这一简单而优美的黑洞图像与我们比较确定的有关黑洞的知识惊人的吻合。下面我们就从两个观测角度来讨论黑洞内部的性质:温度,密度,和熵。一个是遥远的外部观测者,另一个是内部观测者。这两个参照系可以通过共形变换联系在一起。其中有两个物理量在这两个观测者看来应该是一样的:固有能量密度(proper energy density)ρ 和总熵(total entropy)S。</p><p>对外部观测者来说,Schwarzschild 黑洞质量为 M,视界半径 r = 2GM。黑洞内部作为一个二维共形环面(1维空间周长=2r,1维时间周长=2πr),等效于一个二维的视界面(面积为 A=4πr<sup>2</sup>)。固有能量密度可以容易得到,ρ = M/2r = 1/4G (注意,二维时空下的“体积”就是长度2r)。利用上面提到的新理论中自由度 g* = c = 3,我们可以从共形场论中得到黑洞熵 S = A/4G,这和著名的Bekenstein-Hawking 熵完全一致。</p><p>对内部观测者来说,黑洞内部的热力学性质可以完全从超对称镜像模型 SMM2 得到。通过简单的动量积分可以算出固有能量密度 ρ = πT<sub>in</sub><sup>2</sup>/2 和熵密度 s = πT<sub>in</sub>/2。结合前面得到的能量密度,可知内部观测者“看到”的黑洞温度 T<sub>in</sub> 是一个常数,大约为 Planck 温度(10<sup>19</sup> GeV),这与超对称镜像模型的自洽要求一致。由于共形引力红移的结果,外部观测者“看到”一个低得多的黑洞内部温度,即 T<sub>ex</sub> = 1/2πr,恰好就是 Hawking 辐射温度的两倍。这表明 Hawking 温度所刻画的黑洞表面(视界)比其内部要恰好冷一半。</p><p>通过共形变换,我们还可以算出内部观测者所“看到”的黑洞大小和黑洞的总熵(与外部观测者得到的 Bekenstein-Hawking 熵完全一致)。对于一个标准太阳质量的黑洞,内部观测者所感受到的黑洞大小为 10<sup>42</sup> 米,远远超过我们所知道的可观测宇宙的大小(10<sup>27</sup> 米)。</p><p>新理论说明黑洞内部是一个真正二维的空间。它也有效地解决了黑洞信息悖论,因为视界附近的从4维到2维的相变起到了火墙(firewall)的作用。恒星塌缩成黑洞的过程正好是宇宙演化的一个逆过程(SMM4b -> SMM4 -> SMM2b -> SMM2)。其本质上是4维时空下大量的粒子场自由度在塌缩过程中被释放导致星核被不断软化和加热,最终发生时空维度相变,自由度大大减少从而避免了奇点。也许黑洞的质量存在上限(比如宇宙的质量),若果真如此,这样的超级黑洞就会进一步塌缩回量子混沌(SMM2 -> SMM1b -> SMM1 -> QC?)。</p><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#bh">From neutron and quark stars to black holes</a>” 和 “<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#gravity">Truly two-dimensional black holes under dimensional transitions of spacetime</a>”</p></div></div></div></div><figure class="wp-block-image size-large"><p class="mod-reset"><img loading="lazy" width="645" height="419" class="wp-image-805" src="https://www.wanpengtan.com/files/2021/05/smm4small.png" alt="" srcset="https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/05/smm4small.png 645w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/05/smm4small-300x195.png 300w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/05/smm4small-250x162.png 250w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/05/smm4small-550x357.png 550w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/05/smm4small-277x180.png 277w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/05/smm4small-462x300.png 462w" sizes="(max-width: 709px) 85vw, (max-width: 909px) 67vw, (max-width: 984px) 61vw, (max-width: 1362px) 45vw, 600px" /></p><figcaption>超对称镜像模型 [Supersymmetric Mirror Models (SMM)]</figcaption></figure>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-71704229177841172752021-05-01T00:21:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.689-05:00镜像世界探秘9——第一性原理<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>第一性原理(first principles)一直是科学研究所尊崇的基本方法。在科学的各个领域里都不乏第一性原理的应用。例如,自然选择就是生物学里的进化论的第一性原理。而数学上,一套公理体系就扮演着某一分支的第一性原理的角色,最著名的莫过于欧几里德几何的第五或平行公设。</p><p>在物理上第一性原理就更不可或缺。比如牛顿经典力学的基础就是牛顿的运动定律,更现代的表述是经典的变分或作用量原理。经典电磁理论由麦克斯韦方程(Maxwell’s equations)决定,而更新的理解就是 U(1) 规范对称原理。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>爱因斯坦(Einstein) 在一百多年前就提出了一个更一般性的相对论性原理:物理规律应该独立于任何参照系的选择。对于惯性参照系来说,这对应着洛伦兹不变性(Lorentz invariance),并直接导致了狭义相对论的诞生。狭义相对论的另一光速不变原理实际上是时空几何概念的自然要求。当考虑加速参照系时,爱因斯坦提出了等效原理并创立了把引力描述为经典时空几何的广义相对论。同样地,广义相对论也可以由经典的变分原理得到。</p><p>量子理论的发展要更复杂一些。有许多旧观念需要被打破,从而建立新思想。例如,用量子性(quantumness)或分立性(discreteness)来代替经典理论的连续性,用几率幅来表征物理态,用算符来计算观察量,等等。但是,我们还是看到有一些思想从经典到量子理论被神奇地传承下来。比如,非相对论性的量子力学,即薛定谔(Schrödinger)波动方程,可以由费曼(Feynman)的路径积分办法完全得到。而费曼的路径积分表述就是升级版的量子变分原理(quantum variational principle)。</p><p>甚至现代的量子场论(quantum field theory – QFT)也可以由量子变分原理得到。只不过,原来的非相对论性情形下的时空路径(paths)积分要由时空中的场位型(field configurations)积分来替换。此外,量子场论也遵从洛伦兹不变性。现代数学的纤维丛(fiber bundle)理论可以对量子场论的对称性给出更好的理解。量子场论的规范对称性就是局域或内廪纤维空间的对称性,而洛伦兹对称性是对应的时空底流形(base manifold)的对称性。在微分几何的框架下,规范和洛伦兹对称性都可以看成是一种给定流形的保度规的和乐(holonomy) 群。</p><p>我们看到从经典到量子的过渡,有两类原理保留下来:一个是变分或作用量原理,一个是holonomy对称性。一个诱人的想法是进一步推广这两个原理从而建立一套新的基础物理原理体系,然后用这套新原理(不必要是单个模型或理论)来自洽一致地理解基础物理和宇宙学。</p><p>自从量子场论的现代版本-标准模型(standard model)的建立,理论物理学家们过多地期望建立一种大一统终极理论来统一经典的广义相对论和量子理论。这种统一理论通常称为量子引力理论,比如热门的弦论(string theory)和圈量子引力(loop quantum gravity)。然而这种静态的对统一理论的理解也许是误入了歧途。</p><p>科学的进步启示我们,无论从社会历史,生物进化,还是宇宙的演化的角度,我们都是在一个动态演化的世界。一个静态的统一理论显然与这样的动态发展格格不入。一个更合理方向应该是追求一套第一性原理的开放体系从而建立一系列自洽的理论来动态地诠释物理。特别地,此动态图景告诉我们,时间反演对称性应该是宇宙的第一个对称性,同时也是第一个破缺的对称性,只有时间箭头的诞生才会有宇宙和万物的演化。很可能,我们今天感受到的4维时空是一维一维暴胀(inflation)出来的。</p><p>在进一步讨论之前,我们首先给出三个关于基础物理和宇宙学的第一性原理:</p><ol><li>量子变分原理:以费曼路径积分形式为基础的变分或作用量原理的量子版本提供了理论的基本概念和数学框架。</li><li>可观测性原则:物理世界是可观测的,或者说观测结果必须是自洽有限的。</li><li>时空暴胀原理:通过维度相变,时空是一维一维暴胀出来的并定义了物质场及其作用。</li></ol><p>原理1(即量子变分原理)给出了构建理论的方法。费曼所发展的路径积分形式给出的量子变分原理告诉我们如何用同时包含代数和几何思想的微分几何的数学语言来建立物理理论体系。原理2(即可观测性原则)作为爱因斯坦的相对论性原理的推广,指出物理世界的可观测性导致我们能观测到什么。可观测性是指我们的观测结果必须是有限的和自洽的。这很自然地引入了对称性,特别是保时空度规的 holonomy 群。这告诉我们物理体系的对称性来自于可观测性的要求。</p><p>前两个原理提供了足够的工具来构造一个静态的或单相的理论。但是它们无法给出体系的物理内涵及相变机制。过去很多理论,特别是凝聚态方面的理论,其实都是对一个给定物理内容的体系应用这两个原理。这里的原理3(即时空暴胀原理)则不但给出了给定时空相的物理内容(即场及其相互作用),还揭示了时空维度的相变机制。这才真正自然地展示了一个动态演化的宇宙。</p><p>一言以蔽之,量子变分原理提供了物理概念和数学形式,可观测性原则导致了物理约束和对称性,时空暴胀原理则规定了物理内涵(即场及其相互作用)。这些原理一起就可以给出我们前面讨论过的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">最新的镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>,特别是系列<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">超对称镜像模型(supersymmetric mirror models)</a>,对<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%988-%e5%a4%a7%e7%bb%9f%e4%b8%80%e7%90%86%e8%ae%ba%e3%80%81%e6%97%b6%e9%97%b4%e7%ae%ad%e5%a4%b4%e5%92%8c%e5%a4%a7%e7%88%86%e7%82%b8/">时间箭头的涌现和宇宙大爆炸的动力学</a>等等谜题作出全面解释。</p><p>在我看来,费曼最大的贡献应该是他的路径积分方法,比为他赢得诺贝尔奖的QED工作还要重要和深刻的多。另一个大物理学家 Hans Bethe 曾经评价费曼是天才中的魔术师。这是一个非常中肯的评价。费曼可能是,至少对我来说,20世纪最令人钦佩(most admired)的两个物理学家之一。另一个当然是爱因斯坦,这里讨论的原理2(可观测性原则)可以看作是对他的相对性原理的推广。</p><p>路径积分方法要求,量子几率幅由所有可能的位型贡献的相干叠加决定。每一个场位型都平等地贡献一个指数相因子。这个平等原则(democracy principle)只代表机会平等,不代表结果平等。事实上,绝大多数情况下不同场位型的贡献都互相抵消,只有极值位型附近的拥有极大对称性的贡献才最可几。在经典极限下,这对应着经典物理的最小作用量原理。</p><p>路径积分方法中的指数相因子由作用量(action)和 Planck 常数之比决定。Planck 常数决定了理论的分立的量子性。而作用量,或者说给定时空流形下拉氏量(Lagrangian)的构造,就决定了一个体系的物理模型。时空暴胀原理决定了作用量可以包含什么样的场和相互作用。可观测性原则则决定了什么样的对称项才可以进入作用量。</p><p>可观测性原则要求观测必须满足两个条件:有限性和自洽性(finiteness and consistency)。有限性用现代量子场论(QFT)的语言来说就是可重整化性(renormalizable)。这一点很容易理解,不可重整的项会导致发散的作用量,这样的位型贡献由于指数相因子会趋近于零,即对最终的几率幅无贡献。</p><p>自洽性保证我们的测量有意义。特别地,它给出了给定几何下的保内积的 holonomy 群,即对延展时空的洛伦兹群和局域或内廪纤维空间的规范群的推广。例如,n-维黎曼流形(Riemannian manifold)的 holonomy 群是 O(n), 2n-维 Kähler 流形的holonomy 群是 U(n),而 2n-维 Calabi-Yau 流形的 holonomy 群是 SU(n)。4-维时空下的洛伦兹群 O(1,3),和标准模型下的 SU(3)、SU(2)、和 U(1) 规范对称性正是其中的特例。</p><p>可观测性原则还引发了延展时空下的两个分立对称性。一个是流形的定向(orientation)对称性,即新镜像理论里的镜像对称性(mirror symmetry)。另一个就是超对称(supersymmetry)。显然,取决于流形的拓扑结构,这两个对称性会发生自发破缺。</p><p>镜像对称的意义和影响我们前文已经讨论很多了。这里再多说几句超对称。它是在二维及以上时空下连接费米子和玻色子的对称性,它引出了反对易的超空间及限定了对应时空下的物理场的存在性。它也保证了哈密顿量(Hamiltonian)和能量的正定性,和时间箭头的方向。</p><p>时空暴胀原理也许首先最形象地出现在老子的《道德经》里:“道生一,一生二,二生三,三生万物”。这与我们的时空相变理论有着惊人地巧合。“道”对应0维的,即没有延展时空维度的量子混沌。“一”对应1维的时间。“二”对应2维时空(1维时间+1维空间)。“三”也许该改为“四”,对应于4维时空。</p><p>用现代的数学语言来说,时空暴胀可以想象成一个双重纤维丛(double fiber bundle)的暴胀。首先一维时间成为纤维丛的底流形(base manifold)。然后一维切纤维空间以指数方式成长出来,于是新生成的二维时空成为新纤维丛的底流形。类似地,二维切纤维空间接着暴胀成二维延展的空间,生成我们现在看到的4维时空。由于超对称的要求,底流形除了4维时空外,还有6维未延展的 Calabi-Yau 空间(对应6个夸克凝聚态生成的 Higgs 标量场),但无法进一步暴胀(由标量场的重整化群理论可知)。</p><p>超对称的一般理论告诉我们,一维时间下只能有一个简单的实标量场。二维时空下,除了标量场外还可以有马约拉那(Majorana)费米子和 U(1) 规范玻色子。在4维时空下,更多的规范玻色子和狄拉克(Dirac)费米子才可能存在。于是我们可以基于时空暴胀原理构造出一系列<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">超对称镜像模型(supersymmetric mirror models)</a>。</p><p>特别地,4维时空成为了轻子(leptons)- 包括电子和中微子的诞生地。其对应的4维切纤维空间给出了 U(2) 规范作用,即 SU(2) 弱相互作用和 U(1) 电磁作用。显然,有三种独立的方式(从4维中选2维)可以构造普通和镜像 U(1) x U(1)’ 作用,这决定了为什么轻子有三代。4维几何无法同时容纳两套独立的 SU(2) 相互作用,于是我们的普通世界是左手的,而镜像世界变成右手的。</p><p>在6维未延展的 Calabi-Yau 空间里定义了夸克,这也是夸克为什么会被禁闭在强子里而不得自由出现在4维时空里。此空间和对应6维切纤维空间也定义了夸克的 SU(3) 强相互作用以及在分级夸克凝聚后破缺的 U(6) 味规范作用。</p><p>这里我们看到一个自然的经典-量子二元性(classical-quantum duality)。经典物理(特别是引力)源自延展的时空,而量子现象则由未延展的空间决定。但自洽一致性要求经典时空和量子空间紧密联系在一起,事实上是无法分开的,只是一个物理实在的两面。</p><p>从这三个第一性原理出发,我们看到了如何重构基础物理和宇宙学的基石-镜像理论框架。但歌德尔不完备定理(Gödel’s incomplete theorems)告诉我们不存在完备的公理体系,也就是说我们的世界本质上是开放的。我们显然需要发掘更多的第一性原理来不断地更好地理解充满无穷奥秘的物理世界。</p><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#fp">First principles of consistent physics</a>”</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-35725493517209743432021-04-23T20:45:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.712-05:00镜像世界探秘8——大统一理论、时间箭头和宇宙大爆炸之谜<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>现代物理的两大支柱理论-爱因斯坦的广义相对论和一大批物理精英共同发展的量子理论已经有一百多年的历史了。自从上世纪七十年代粒子物理的标准模型(Standard Model)的建立,基础物理理论的最前沿就是梦想把这一量子理论的已知的最好形式与基于广义相对论的时空几何的引力理论统一起来。尽管这么多年在所谓的量子引力的研究进展,特别是在超弦理论(String Theory),圈量子引力(Loop Quantum Gravity)等等方面的深入和困惑,这一美丽而虚幻的统一梦还是如镜花水月般遥不可及。</p><p>这两个支柱理论并没有本质的矛盾,相反历史上的经验和现代的研究进展已经暗示了这两个理论的相容性。关于这方面的深入讨论,请参见博文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e5%b9%bf%e4%b9%89%e7%9b%b8%e5%af%b9%e8%ae%ba%e5%92%8c%e9%87%8f%e5%ad%90%e7%90%86%e8%ae%ba%e7%9a%84%e7%9f%9b%e7%9b%be%e6%98%af%e4%bb%80%e4%b9%88%ef%bc%9f/">广义相对论和量子理论的矛盾是什么?</a>”。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>然而这几十年的统一理论研究又确实给人以误入歧途的感觉。一个很可能的谬误来源是很多努力倾向于得到一个静态的统一理论:即用一个唯一的理论模型来解释跨越能标几十个 数量级的粒子物理-上到 Planck 10<sup>19</sup> GeV 的能标,下到低于200 MeV 的 QCD 相变能标。既然我们的宇宙都是动态演化的,为什么我们的基础理论必须是静态的呢?或许我们应该在整个理论体系当中引入一系列对称破缺或者说相变,每一个具体的模型只是用来解释其中的一个相或之间的相变。我们真正要做的是要确定一套第一性原理来保证描述不同物理相的这一系列模型的自洽一致性。在这个意义上说,传统意义上所憧憬的统一理论可能根本不存在。</p><p>其实宇宙大爆炸(Big Bang)理论的成功,尽管仍有很多未解之谜,已经给了我们很多的提示。一个动态的宇宙为什么不能用一个动态的基础理论来描述呢?生命在进化,社会在进步,宇宙在膨胀,似乎一切都在演化中。有什么理由要保持一个不变的万能理论呢?</p><p>物理学家们已经在基础理论中引入了动态性,例如,规范相互作用中的跑动耦合常数(running coupling constants)。但我们是不是可以更大胆些。也许连相互作用和粒子场本身的存在也不是一成不变的呢?也许连我们熟知的四维时空的维数也会演化呢?</p><p><a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">最新的镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>恰好可以回答这些问题。新理论是标准模型的一个非常自然的拓展,并同时进一步发展建立了时空相变下一系列超对称镜像模型(<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">Supersymmetric Mirror Models</a>)。</p><p>新理论提出了三个基础物理的第一性原理:1)以费曼路径积分为基础的量子变分或作用量原理(数学形式);2)物理世界是有限的并可测量的(一致性和对称约束);3)时空维度的相变机制(暴胀 [inflation])导致场和规范作用的涌现 [emergence]。关于这些原理的讨论,包括时空作为 double fiber bundle 的演化,请参见博文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/first-principles-of-physics/">First principles of physics</a>”和论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#fp">First principles of consistent physics</a>”,我们以后也会更详细地讨论。下面我们就来看看怎样用这些原理来构造新理论,特别是超对称镜像模型,同时理解时间的箭头,万有引力和宇宙大爆炸。</p><p>从上面的讨论我们已经感受到理论的动态性(dynamics)的重要性。这意味着时间反演(time reversal)对称性必须是第一个被引入的对称性,也是第一个被打破的对称性。因此时空几何应该是一维一维暴胀出来的,并决定了所在阶段的物理内涵(场和规范作用)及其动力学。</p><p>老子在《道德经》里神奇地宣称:道生一,一生二,二生三,三生万物。这与我们的时空相变理论有着惊人地巧合。“道”对应0维的,即没有延展时空维度的量子混沌。“一”对应1维的时间。“二”对应2维时空(1维时间+1维空间)。“三”也许该改为“四”,对应于4维时空。</p><p>n维黎曼几何的 Holonomy 群就是 O(n) = O(1) x SO(n),其物理意义就是保证测量的一致性。其中二阶循环群O(1) = Z2就是新理论中最重要的镜像对称(mirror symmetry),也是时空流形的定向(orientation)对称性。这一对称性从时空诞生起就一直发挥着关键作用,在不同的时空维度下还对应着不同的分立对称性。这也是为什么新的理论框架叫做镜像理论。</p><p>首先在我们的宇宙中一维时间诞生,并由单一实标量场的作用量来描述,它的Holonomy群就是分立的镜像对称,同时代表时间反演对称。其势能项给出了自发对称破缺机制。当初始时势能项为零,即时间反演对称性严格保持。然后其二次项演化为负系数,对应标量场质量的获得,同时高次项系数保持正定,即势能演化成类似“W”的形状。于是标量场从位于原点的亚稳真空滚动到两个新涌现的真空之一。这导致时间箭头的诞生。</p><p>一维几何是不存在内廪曲率的,也就是说引力还不存在。但这一标量场的凝聚(condensation)过程,同时是另一维空间的暴胀,即指数膨胀过程。最后,完全延展的2维时空生成,重标量场(massive scalar)就衰变成新时空的马约拉那(Majorana)费米子(即正反粒子相同)和规范玻色子。这也导致宇宙被加热到 Planck温度(10<sup>19</sup> GeV),标志着宇宙热大爆炸(hot big bang)的开始。</p><p>2维时空也是一个很特殊的相。它是超对称(supersymmetry)的开始,也是U(1)规范作用的诞生地。超对称描述了费米子和玻色子之间的对称性。它很自然地定义了在给定时空维度下什么样的场是允许的。例如,1维几何不存在超对称,只有标量场可以存在。2维时空则可以包含标量场,马约拉那费米子和规范玻色子。</p><p>特别是引力在2维时空中诞生,尽管和四维时空下的广义相对论不同。我们将在以后的博文详细讨论如何用新模型来完美诠释黑洞的内部——本质上是真正的二维物体。</p><p>2维时空只有马约拉那费米子而没有狄拉克(Dirac)费米子,是因为反粒子的自由度在2维世界不独立。这时的镜像对称也是粒子的手征(chiral)对称性。它的自发破缺来自马约拉那费米子的凝聚,即其左手态和右手态(像超导的电子对一样)会凝聚成两个新的标量场。在对称破缺前,物理模型就是简单的无耦合无质量的U(1)规范超对称多重态模型(SMM2)。破缺后,就是马约拉那费米子和标量场的伪超对称模型(SMM2b)。</p><p>这两个标量场的势能项的演化对应着双重空间暴胀(double space inflation)过程 (能标约为 10<sup>16</sup> GeV),并导致两个新的空间维度的诞生。然后,两个标量场分别衰变成新4维时空下的两套基本粒子体系。一个对应着我们的普通粒子世界(ordinary sector),一个对应着镜像世界(mirror sector)。由于镜像对称的破缺,两个世界的温度有些不同,由观测可知镜像世界的温度应该低于普通世界的一半以上。</p><p>此时的两套粒子都是无质量的,并拥有各自的规范相互作用 U(6) x SU(3) x SU(2) x U(1)(由超对称模型 SMM4 描述)。但它们显然共享同一个4维时空,即参与同样的引力作用。超对称和Holonomy群的约束确保夸克和轻子有三代,除了4维延展的时空还有6维卷曲的Calabi-Yau空间对应夸克的SU(3)色禁闭。此外,U(6)是夸克的味(flavor)规范群,SU(2) 和 U(1)分别是弱和电磁相互作用的前身。</p><p>当温度降到大约 100 GeV (电弱相变)时,分级夸克凝聚(staged quark condensation)机制在两个世界分别导致自发对称破缺,U(6)味对称不再有效,SU(2)规范也分裂为左手的普通世界和右手的镜像世界–左手中微子参与普通弱作用而右手中微子参与镜像弱作用。一直温度降到大约 150 MeV (QCD相变)时,6味夸克凝聚完成,所有的费米子和一些规范玻色子都获得了质量。镜像对称的破缺导致两套粒子大约有 10<sup>-14</sup> 的相对质量差。这一质量差提供了两个世界之间的中性强子的振荡机制,特别是 n-n’ 和 K0-K0′ 的振荡成为我们揭开<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%983-%e6%a8%a1%e5%9e%8b%e5%bb%ba%e7%ab%8b%e4%b8%8e%e4%b8%ad%e5%ad%90%e5%af%bf%e5%91%bd%e5%92%8c%e6%9a%97%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b9%8b/">暗物质</a>和<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%985-%e4%b8%8d%e5%af%b9%e7%a7%b0%e7%9a%84%e6%ad%a3%e5%8f%8d%e7%89%a9%e8%b4%a8%e5%92%8c%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%9d%a5/">正反物质不平衡之谜</a>的钥匙。这一质量差也是我们<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%987-%e6%9a%97%e8%83%bd%e9%87%8f%e5%92%8c%e4%b8%ad%e5%be%ae%e5%ad%90%e4%b9%8b%e8%b0%9c/">理解暗能量和中微子质量</a>的关键。</p><p>于是普通粒子进一步演化出恒星和星系,以及我们熟知的大千世界。而镜像粒子则构成了我们无法直接“看到”的暗物质世界。由此我们可知新镜像理论对波澜壮阔的早期宇宙的演化和动力学给出了令人信服的美丽的图景。正是这一动态的理论框架才能道出宇宙的真谛。</p><p>本文基于如下两篇论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#susy">Supersymmetric mirror models and dimensional evolution of spacetime</a>” 和“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#indeterm">No single unification theory of everything</a>”</p></div></div></div></div><figure class="wp-block-image size-large"><p class="mod-reset"><img loading="lazy" width="640" height="417" class="wp-image-734" src="https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/dynam4.png" alt="Evolution of the early universe under supersymmetric mirror models" srcset="https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/dynam4.png 640w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/dynam4-300x195.png 300w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/dynam4-250x163.png 250w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/dynam4-550x358.png 550w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/dynam4-276x180.png 276w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/dynam4-460x300.png 460w" sizes="(max-width: 709px) 85vw, (max-width: 909px) 67vw, (max-width: 984px) 61vw, (max-width: 1362px) 45vw, 600px" /></p><figcaption>早期宇宙在超对称镜像模型 [supersymmetric mirror models] 下的演变</figcaption></figure><figure class="wp-block-image size-large"><p class="mod-reset"><img loading="lazy" width="640" height="415" class="wp-image-735" src="https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/smm3new.png" alt="Supersymmetric Mirror Models (SMM) and Spacetime Dimensions" srcset="https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/smm3new.png 640w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/smm3new-300x195.png 300w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/smm3new-250x162.png 250w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/smm3new-550x357.png 550w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/smm3new-278x180.png 278w, https://www.wanpengtan.com/wp-content/uploads/2021/04/smm3new-463x300.png 463w" sizes="(max-width: 709px) 85vw, (max-width: 909px) 67vw, (max-width: 984px) 61vw, (max-width: 1362px) 45vw, 600px" /></p><figcaption>超对称镜像模型 [Supersymmetric Mirror Models (SMM)]</figcaption></figure>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-47054362063979654222021-01-08T20:37:00.000-05:002022-01-05T00:07:54.733-05:00镜像世界探秘7——暗能量和中微子之谜<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p class="">本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#vac">Dark energy and spontaneous mirror symmetry breaking</a>”</p><p>现代宇宙学和粒子物理的进展让我们逐渐地把至大和至小的研究联系在了一起。至大可大到整个宇宙,至小则小到基本粒子。我们越对这个世界多一些理解,我们就越发现这两个极端的物理是紧密相关的。宇宙的热大爆炸理论就是对粒子和核物理的最令人惊叹的应用。两者的疑难问题也同样紧密纠缠。甚至两者的研究人员也经常同时涉猎两个方向而难分彼此。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>暗能量(dark energy)尽管还未能为主流物理所理解,却很可能占了当今的宇宙总能量的三分之二还强。它对早期宇宙的暴胀(inflation),现在宇宙的加速膨胀,和今后的命运,都可能起主导作用。暗能量同时充斥宇宙的每一个角落,即使是没有任何粒子的真空,于是自然地它被理解为真空的能量。</p><p>在另一个极端,中微子(neutrino)是我们知道的最轻的费米子,即使比下一个最轻的电子还要轻至少一百万倍。中微子在粒子物理学中也扮演着核心的角色。中微子顾名思义不带电,所以不参与电磁作用。同时作为轻子,它也不参与夸克的强相互作用。只有左手中微子参与弱相互作用从而导致宇称的破坏。人们不禁会问:那么右手中微子去哪了?中微子与物质的作用是如此之弱,我们直到 20 年前才肯定三代中微子之间存在振荡。正是这种振荡挑战了粒子物理的标准模型(Standard Model),预示着新物理的曙光。</p><p>下面我们就用<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">新镜像物质理论(Mirror Matter Theory)</a>来看看这两个极端:暗能量和中微子是如何联系在一起的。同时我们也把前面博文中讨论的普通-镜像粒子振荡(Ordinary-Mirror Particle Oscillations)的唯象模型发展成为一个坚实的新镜像物质理论。我们将看到新理论是标准模型的一个非常自然的拓展。这也为新镜像理论的进一步发展–时空相变下系列超对称镜像模型(<a href="https://www.wanpengtan.com/new-physics-in-supersymmetric-mirror-models/">Supersymmetric Mirror Models</a>)的建立奠定了基础。</p><p>对暗能量的研究始于爱因斯坦在其广义相对论的引力方程里引入的宇宙学常数 Λ。其作为真空能(vacuum energy)的现代理解已经是现代标准宇宙模型(ΛCDM)的一个基本组分(另一个就是冷暗物质-CDM,也就是新理论的镜像物质)。暗能量与宇宙的其他组分物质(比如原子和暗物质)或相对论性的辐射(比如光子)非常不同:它具有负压力。这也是它为什么能让宇宙暴胀和加速膨胀的原因。</p><p>按照现代量子场论的理解,只有标量场(scalar)才可能提供暗能量。可以计算得到,暗能量的能量密度大约为标量场的真空期望值(Vacuum Expectation Value – VEV)的四次方。根据微波背景辐射的观测,我们可以估算出其今天的能量密度约为 (2.3×10<sup>-3</sup> eV)<sup>4</sup> [为方便计,采用自然量纲:体积相当于能量的负 3 次方]。换句话说,暗能量对应于一个非常小的能量标度-只有大约千分之二电子伏那么大。根据粒子物理的标准模型和宇宙大爆炸理论,我们很难想象这样小的能量标度是如何产生的。例如,从最高的 Planck 能量 10<sup>19 </sup>GeV,宇宙暴胀能标 10<sup>16 </sup>GeV,电弱相变能标 10<sup>2 </sup>GeV,到最低的强相互作用相变能标 10<sup>2 </sup>MeV,都远远大于暗能量的能量标度,即超过 10 个甚至 30 个数量级(人们更常用能量密度超过 40 到 120 数量级来夸大困难,实际上反倒掩盖了困难)。这个困难被称作自然性或精细调节问题(naturalness or fine-tuning problem)。</p><p>然而事实上,世纪之交时中微子振荡的发现确实提示了我们这样的一个能量标度的存在。中微子振荡的一个最重要的结果就是告诉我们中微子是有质量的。测量表明,其质量也大概在毫电子伏左右的量级,即非常接近现今暗能量的能标。难道这只是一种巧合吗?我们将会看到新镜像物质理论对此可以给出一个漂亮的回答。</p><p>不同于早期的镜像模型,新镜像物质理论对镜像对称(mirror symmetry)有全新的理解。我们将在以后的博文中从更高的角度讨论,镜像对称其实是时空流形(spacetime manifold)的定向对称性(orientation symmetry)。这里对 4 维时空,我们可以将镜像对称变换理解为一种跨越普通-镜像两个世界的手征(chiral)变换,类似于 Dirac 的 γ5 变换。换句话说,它对左手费米粒子和右手粒子的变换正好差一个负号。这种新理解是新理论的一个核心,并成为解释暗能量和中微子的关键。</p><p>新理论的分级夸克凝聚(staged quark condensation)机制我们以后还会专门介绍。但它告诉我们所谓的希格斯(Higgs)这样的标量粒子只是两个正反夸克的凝聚态(condensate),其中一个是左手的,另一个是右手的(这也是与湮灭反应的重要区别)。于是我们看到,普通-镜像标量粒子的镜像对称变换也要改变一个负号。这样的 Higgs 标量场决定了它们所对应的各自的规范相互作用的真空,它们之间的符号差将是理解暗能量和中微子的点睛之笔。</p><p>当我们写下两个世界各自的“标准”模型,并假定普通世界的中微子都是左手的,同时镜像世界的中微子都是右手的。更准确的说,两个世界共享一套中微子,其中左手的只参与普通弱相互作用,而右手的只参与镜像弱相互作用(下面会看到背后的原因)。然后我们就看到两个世界的模型里共享同样的中微子质量项,即中微子的质量约为两个世界的 Higgs 真空期望值的差。利用新理论的两个世界之间的相对质量差参数(≈10<sup>-14</sup>)和Higgs的质量(≈10<sup>2 </sup>GeV),我们立即可以得到一个量级大约为 10<sup>-3</sup> eV 的中微子质量,这与中微子振荡的结果以及暗能量的能标惊人的相似。</p><p>事实上,由于有三代基本粒子,分级夸克凝聚对应不同的 Higgs 粒子,可以很好解释三代轻子和其对应的夸克之间的质量关系。同时也分别给出了三代中微子的质量。特别值得指出的是,新理论预言中微子是 Dirac 粒子而不是 Majorana 粒子 (即正反粒子相同)。也就是说,目前进行的各种“无中微子”的双β衰变(neutrinoless double beta decay)实验都会得到零结果。</p><p>在新理论里,我们有三个真空概念,一个对应普通世界的规范相互作用(电磁、弱、和强力)的真空,一个对应镜像世界的真空,最后一个对应于两个世界共享的引力的真空。一个自然的猜想就是,既然两个世界共享同一个时空舞台(即参与同一引力作用),时空几何或引力的真空应该由两个世界的所有标量场的相干叠加决定。前面我们看到,两个世界的 Higgs 场差一个负号,尽管各自能标很大,但它们叠加的结果所对应的引力的真空恰好给出了暗能量的微小能标 10<sup>-3</sup> eV。换句话说,我们今天测到的暗能量其实是普通和镜像两个世界中的 Higgs 场的叠加产物,它的微小正是来源于新理论中两个世界的微小的质量差。</p><p>下面我们来看看为什么中微子会简并(degenerate),即为什么两个世界共享一套中微子。这涉及到我们对超对称(Supersymmetry)的新理解。</p><p>一直以来,特别是自从超弦理论的提出,超对称是人们最希望探测到新物理的东西。传统上其被理解为存在一组作为已知基本粒子的拷贝的新的超对称粒子,常常比对应的已知基本粒子重得多,只能在非常高的能区才可能被探测到。然而尽管多年的努力,欧洲核子中心(CERN)的世界最大的加速器 LHC 却没能测到这样的粒子,这导致近些年连超对称这个基本概念都受到严重质疑。</p><p>超对称作为连接两大类基本粒子(玻色子-Boson 和费米子-Fermion)的唯一纽带,我们很难想象这一概念在基本理论中的缺失。新理论基于南部阳一郎(Nambu,2008诺奖得主)的准超对称(quasi-SUSY)的思想,对超对称有了重新理解。在我们已知的基本粒子中,其实超对称已经存在(尽管破缺了)。我们已知的夸克和轻子其实就是规范玻色子(比如光子)的超对称粒子。而这些已知基本粒子的新拷贝其实是相应的镜像粒子 [详细讨论,参见博文“<a href="https://www.wanpengtan.com/2019/09/03/supersymmetry-and-mirror-symmetry/">Supersymmetry and Mirror Symmetry</a>”]。</p><p>在这一新理解中,一个立即的问题是,已知的基本粒子中似乎有太多的费米子(夸克和轻子)自由度。而没有相同的规范玻色子的自由度,超对称是无法成立的。其中在我们的普通物质世界,三代夸克共有 72 个自由度,带电轻子有 12 个, 中微子只有 6 个(都是左手的),所以总共有 90 个费米子自由度。然而,强相互作用的规范胶子(gluon)有 16 个自由度,弱作用的有质量的规范 W± 和 Z 粒子有 9 个,再加上电磁作用的光子只有 2 个,一共才 27 个规范玻色子的自由度。那缺失的 63 个自由度在哪里?</p><p>在新理论里,6 个夸克之间的 U(6) 味规范对称性在弱作用的 SU(2) 规范自发对称破缺后也遭到破坏。而这将导致伪规范玻色子(pseudo-Nambu-Goldstone bosons)的生成,其自由度正好是 63 个。于是我们看到,自发对称破缺后的“标准”模型粒子确实满足一种伪超对称性(pseudo-SUSY)。从另一个角度说,这很可能是为什么基本粒子有三代以及为什么中微子会简并的根本原因,否则的话就无法满足新理解的超对称。</p><p>很自然地,在自发对称破缺前的高温或高能(>100 GeV)模型中,中微子的简并被解除(即每个世界都多出 6 个中微子自由度),所有粒子都是无质量的,所有的规范对称破缺也被恢复,费米子自由度和规范玻色子的自由度在每个世界都是 96,因此超对称被完美恢复。自发对称破缺前后的新模型于是给出了标准模型的一个非常自然的超对称和镜像拓展。</p><p>我们看到,在新镜像物质理论中,暗能量和中微子是息息相关的,并且其微小的能量标度完全由新理论的微小的质量差参数决定。在下一篇博文中,我们将进一步拓展这一新思想,从第一性原理出发来完善新理论的大厦,并用于重新理解万有引力和黑洞。我们将依照时空维度的相变机制提出一系列超对称镜像模型来理解时间的箭头和宇宙大爆炸的起源。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-3331744267387734022020-12-29T15:46:00.000-05:002022-01-05T00:07:54.750-05:00镜像世界探秘6——可在实验室里检验的新物理<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#ckm">Laboratory tests of the ordinary-mirror particle oscillations and the extended CKM matrix</a>”</p><p>自从粒子物理的标准模型(Standard Model)在上世纪七十年代建立起来以后,我们在基础物理理论方面似乎没有感到太大的进展。尽管标准模型的精确性得到了实验上令人叹为观止的十几个数量级的验证,我们仍然非常确定标准模型肯定不是量子理论的最后形式。同时人们还非常渴望统一标准模型里的规范相互作用与爱因斯坦的广义相对论为基础的引力理论。这大概也是为什么最近四十年的基础物理理论研究主要集中在所谓量子引力(Quantum Gravity)的研究,特别是关于弦论(String Theory)和圈量子引力(Loop Quantum Gravity)及类似理论。</p><p>然而这些理论都有一个致命的弱点:我们几乎不可能在任何可预见的将来对它们进行实验检验。至于各种各样的超越标准模型(Beyond the Standard Model / BSM)的唯象模型,绝大多数都类似一种玩具模型(toy model),同样缺少坚实的理论预言的可检验性。另一方面,自从伽利略几百年前把物理学奠定为一门实验科学之后,所有基础物理理论的进展都有实验证据的坚强后盾,这让我们很难满意这些年来的基础理论研究的方向。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p><a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">新镜像世界理论(mirror matter theory)</a>恰恰相反,除了能对现有的各种反常现象和不解之谜给出一致合理的回答外,此理论最显著的特点是提出了很多独有的可以在实验室检验的相当精确的理论预言。能够解释早期宇宙或天体演化的疑难确实很酷,但这些宇宙和天体的条件我们几乎无法改变,毕竟我们都生活在我们所知的唯一的宇宙。这样的一个样本的检验会是很好的佐证,但无法让我们完全信服。但实验室检验不同,我们可以很容易改变实验条件来对一个新理论进行全面验证。下面我们就来详细讨论怎样在实验室里检验新镜像世界理论。这里我们主要讨论三种类型的实验,更多的实验可以参见<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#ckm">开头提到的论文</a>或简短的<a href="https://www.wanpengtan.com/2019/08/10/call-for-experimentalists-to-conduct-laboratory-mirror-matter-tests/">博文介绍</a>。</p><p>新镜像世界理论的最重要的预言之一就是普通和镜像中子(n-n’)之间的振荡。在此(n-n’)振荡模型中,每一次中子的非相干散射或相互作用都会有大约 10<sup>-5</sup> 的几率变成镜像中子(根据最新的估算 [<a href="https://arxiv.org/abs/2006.10746">arXiv:2006.10746</a>],此几率约为 0.4-1×10<sup>-5</sup>)。注意镜像粒子除引力外不参与普通世界里的其它相互作用,实验上就相当于观测到中子的消失。特别值得一提的是用来测量中子寿命(约为 888 秒)的超冷中子(Ultra-cold neutron / UCN)。这样的极低能中子的动能大约不到 10<sup>-7</sup> 电子伏(eV) ,以至于很容易被地球的引力束缚住,同时它也在很多材料表面发生全反射。所以超冷中子能被储存在容器里,甚至上面开口的容器里。</p><p>然而这种方法测到的中子寿命总是偏低,于是人们把这归结于容器表面的不完美-特别是含氢化合物的污染导致中子被吸收。问题是这种效应很难和新镜像世界理论所预言的(n-n’)振荡损失相区别。幸运的是,中子具有磁矩,近些年来不断完善的磁场技术可以很好地束缚中子在一个磁阱(magnetic trap)里,从而避免器壁不完美的问题。</p><p>奇怪的是,各种磁阱(其中包括法国的 ILL 实验室的 HOPE,美国国家标准局的 NIST 磁阱,以及洛斯阿拉莫斯国家实验室-LANL的 UCNτ 设备)测到的中子寿命仍然偏低。有些结果特别低(差距达到几十甚至上百秒),然而引用的误差也特别大,从而掩盖了问题。特别是在2017年<a href="https://repository.lib.ncsu.edu/handle/1840.20/33664">用NIST磁阱完成的一个学生的未发表的博士论文</a>里,他们测到的中子寿命结果是 707±20 秒,远远低于公认的数值。而这一结果恰恰可以由新理论解释[<a href="https://arxiv.org/abs/2006.10746">arXiv:2006.10746</a>]。但不幸的是他们在实验结束后不小心丢失了超纯氦-4,而把这一反常结果归咎于氦-3杂质,这导致结论无法完全确定而错过了一个可能的重大发现。</p><p>最为不幸的是,HOPE 和 NIST 磁阱的结果总是和主流实验结果相差极大,大概由于从众的心理两个项目在最近几年都被停止了。尽管我花了很大精力试图说服和帮助这两个实验组重新启动他们的设备,然而由于资金、人员、兴趣等等因素,我看不到它们近期会被重启的可能。如果有人能重启这两个磁阱或建造类似设备,那么新理论就会立刻得到验证。</p><p>新(n-n’)振荡模型实质上预言磁阱实验所测到的中子寿命完全依赖于磁阱本身的几何形状。不同的形状会给出不同的中子平均自由程(两次磁场全反射的平均距离),也即不同的平均自由飞行时间(导致不同的寿命)。最精确的 UCNτ 磁阱已经可以把测量误差控制在 1 秒以内,但由于其尺寸很大而使反常不象 HOPE 或 NIST 磁阱那样明显。超冷中子的测量团队还准备在将来把误差降低到 0.1 秒的量级。然而如果能启用 HOPE 或 NIST 那样的磁阱,10 秒甚至更大的误差也足以验证新模型。</p><p>HOPE 和 NIST 磁阱的特点就是它们都是十分狭窄的圆柱形,直径只有 10 公分左右,这使得它们能测到的反常特别大,所以不需要很高的精度。即使只是重做这些实验,或者其它团队发展类似的磁阱,现在的技术就已足够验证新模型。</p><p>HOPE 设计的长处是它是竖立式,可以通过移动盖子的高低来改变体积和中子能谱,从而影响测到的寿命值,这一依赖关系将是对新模型非常好的检验。另一方面,水平式的NIST 磁阱设计很独特,其内部充满液氦用来生成超冷中子并同时作为探测媒介。一个很重要的改进方向就是使其探测器不止能计数,还可以增加粒子分辨功能-例如使用脉冲形状鉴别(PSD)或 TPC(Time Projection Chamber)等成熟技术。这可以让我们很容易把中子的β衰变事件和可能的杂质氦-3导致的融合反应区分开来。这将给出对新理论最有力的检验。</p><p>当然我们也可以等待,希望有更多的团队做出不同的磁阱并达到足够高的精度,最终必然导致各测量结果互相矛盾,而只能求助于新镜像世界理论来解释。也许只有在那时候,人们才能开始按照新理论系统地设计不同尺寸的磁阱来全面地检验之。</p><p>第二类检验涉及到(n-n’)振荡的媒介效应(medium effect)。这种效应最早在研究中微子振荡时发现的,称之为 Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW) matter effect。这种效应是说当一个粒子(比如中微子或中子)穿行在可以对它进行相干散射的媒介中时,就像被穿了一件衣裳一样,其有效质量会被改变从而影响振荡行为。太阳燃烧时产生的中微子在离开致密的太阳壳层物质时恰恰经历这一现象从而改变了它的振荡几率。这个效应刚好可以解释观测到的太阳中微子问题。</p><p>(n-n’)振荡类似,在<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%982-%e6%81%92%e6%98%9f%e6%bc%94%e5%8c%96%e5%92%8c%e5%85%83%e7%b4%a0%e5%90%88%e6%88%90%e4%b9%8b%e8%b0%9c/">前面讲到的恒星演化问题</a>里,中子在穿过恒星的氦燃烧层(其密度高达水密度的 100 倍以上)时,其有效质量的改变几乎可以完全弥补普通-镜像中子的质量差。这时的媒介效应最大,导致共振振荡,即普通中子有一半的几率变成镜像中子(远远大于在真空中的 10<sup>-5</sup> 的几率)。当然在地球上我们没有这样致密的物质,也就无法在实验室里实现这样的共振振荡。</p><p>幸运的是,中子有磁矩,所以强磁场像致密物质一样也可以改变中子的有效质量。计算表明,在新理论中,当外加磁场达到大约 50-100 特斯拉时,(n-n’)共振振荡也会发生。一般的实验室条件下很难达到如此高的超强磁场。但位于佛罗里达州的美国国家强磁场实验室(MagLab)的直流磁场强度已经可以接近 50 特斯拉,而位于洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的脉冲式磁铁可以达到 100 特斯拉(非破坏模式)甚至 300 特斯拉(破坏模式)。如果我们让非极化(自旋方向不定)的中子束流穿过这样的磁场,会有一半对齐了磁场方向而参与共振振荡,最后有四分之一变成镜像中子。这种 25% 的中子损失率应该是容易测量的,也是一个只有此新理论才有的预言。事实上,当我们逐渐扫描这一可能强磁场区间,假定在某一特定磁场强度下我们看到这一共振现象,那么我们就同时非常精确地测量了普通-镜像中子的质量差。</p><p>第三类检验涉及到其它中性粒子的振荡效应。新理论预言了一种普适的中性强子的振荡效应。这包括所有的中性介子(2 夸克组成,如 π<sup>0</sup>,K<sup>0</sup>)和中性重子(3 夸克组成,如中子,Λ<sup>0</sup>)。依赖于其质量,这些强子的固有振荡周期大概在纳秒(10<sup>-9</sup> s)数量级上下。这要求中性粒子必须足够稳定其普通-镜像振荡效应才能够显著。例如 π<sup>0</sup> 的寿命太短(10<sup>-17</sup> 秒),它的振荡效应(10<sup>-18</sup>)几乎可以忽略不计。这也是为什么(n-n’)和(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)振荡成为了在两个世界之间最重要的两个信使,同时能解释很多疑难问题(例如<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%983-%e6%a8%a1%e5%9e%8b%e5%bb%ba%e7%ab%8b%e4%b8%8e%e4%b8%ad%e5%ad%90%e5%af%bf%e5%91%bd%e5%92%8c%e6%9a%97%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b9%8b/">暗物质</a>和<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%985-%e4%b8%8d%e5%af%b9%e7%a7%b0%e7%9a%84%e6%ad%a3%e5%8f%8d%e7%89%a9%e8%b4%a8%e5%92%8c%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%9d%a5/">正物质世界的起源</a>)。</p><p>K<sup>0</sup> 介子实际上有两个质量本征态,即长寿命的 K<sup>0</sup><sub>L</sub> 和短寿命的 K<sup>0</sup><sub>S</sub>(其质量约为中子质量的一半,但质量差非常小,只有 3.5×10<sup>-6</sup> eV)。它们的衰变模式主要是通过转变成 π 介子和轻子对的方式,寿命分别为 5×10<sup>-8</sup> 秒(K<sup>0</sup><sub>L</sub>)和 9×10<sup>-11</sup> 秒(K<sup>0</sup><sub>S</sub>)。幸运的是,这样的寿命足够短,我们已经有足够大的粒子探测器能够保证所有的 K<sup>0</sup> 介子在衰变前都跑不出去。我们知道的唯一几乎不可见的衰变模式(invisible decays)是 K<sup>0</sup> 介子变成一对或两对中微子的情况。由于我们探测中微子的效率极低,这种衰变模式感觉就像K<sup>0</sup>介子凭空消失一样。然而计算可知,这种不可见的衰变模式的分支比极低,远远低于万亿分之一,比实验能达到的灵敏度要低很多个数量级。这可能就是尽管我们已经有超过半世纪的探测 K<sup>0</sup> 介子衰变的技术,却从来没有专门实验去测量过 K<sup>0</sup> 不可见衰变的分支比。</p><p>然而,新理论中的(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)振荡预言,通过镜像转换导致的 K<sup>0</sup> 不可见衰变的分支比其实很大,现有实验技术完全观测得到。根据最新的理论预测 [<a href="https://arxiv.org/abs/2006.10746">arXiv:2006.10746</a>],其分支比超过百万分之一,分别为 1×10<sup>-5</sup> (K<sup>0</sup><sub>L</sub>)和 2×10<sup>-6</sup> (K<sup>0</sup><sub>S</sub>)。欧洲核子中心(CERN)的 NA64 实验组本来在 CERN 的 SPS 停机升级前准备测量 K<sup>0</sup> 介子的不可见衰变,但由于机器故障没做成。今年流行的新冠病毒进一步延缓了 CERN 的升级。现在CERN 正逐步开始恢复运行,也许2021年 NA64 就会真正进行这一期待已久的实验。</p><p>另一个最可能被测到的不可见衰变来自(Λ<sup>0</sup>-Λ<sup>0</sup>’)振荡。Λ<sup>0</sup> 重子由 3 个夸克(uds)组成,只比中子稍微重一点,并且它的寿命也比较长(2.6×10<sup>-10</sup> 秒)。最新的估算给出其不可见衰变的分支比达到 4.4×10<sup>-7</sup>,应该也在现有实验技术的可测量范围之内。事实上,所有以上提到的强子其实都是非常容易产生的,根本不需要最高能(TeV 量级)的加速器(例如 LHC)。很多较低能(GeV)的加速器,如果亮度足够,会更适合做这些测量。</p><p>北京正负电子对撞机的谱仪装置(BESIII)就可以展开类似研究。BESIII 在现有条件下对 K<sup>0</sup><sub>L</sub> 可能还无法完全覆盖,但对短寿命的 K<sup>0</sup><sub>S</sub> 介子则没问题,其不可见衰变探测也刚好能达到新模型所预言的 10<sup>-6</sup> 的灵敏度。下一代的中国高能物理大设备 STCF(Super Tau Charm Facility)肯定会对 K<sup>0</sup> 和 Λ<sup>0</sup> 的不可见衰变做出更精确的测量,但它的建成并投入使用恐怕还得需要至少十年。</p><p>也许在不久的将来,很多低能的加速器都开始专注测量这些新理论所预言的不可见衰变。人们甚至可以进一步发展探测技术去测量其他更微弱的中性强子振荡,特别是含有更重夸克的强子。这些测量将使我们能最终确定所有夸克的普通-镜像混合参数,从而对新镜像物质理论做出全面检验。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-745962416949524172020-12-23T15:42:00.000-05:002022-01-05T00:07:54.770-05:00镜像世界探秘5——不对称的正反物质和物质世界来源之谜<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#bau">Kaon oscillations and baryon asymmetry of the universe</a>”</p><p>正反物质的不对称性(matter-antimatter imbalance 或者 baryon asymmetry)大概可以算是我们所知的普通物质世界的最大的谜团。当下的物理学(除去新镜像物质理论-Mirror Matter Theory)还无法理解占宇宙总能量95%的暗物质和暗能量。但事实上我们对只占5%的普通正物质(主要是夸克和电子组成的原子形成的恒星和星系)的来源也不清楚。而正是这看起来不多的正物质构成了我们眼中缤纷的大千世界,演化出了丰富多彩的各种生命,更进化出了作为智慧生物的我们人类。</p><p>比较公认的对早期宇宙能很好描述的是所谓的热大爆炸理论(hot big bang theory)。它有如下几个重要特征或优点。它要求在非常早期,宇宙经历了暴胀(inflation)过程。这一指数膨胀机制可以解释为什么宇宙在大尺度上具有均匀性(homogeneity)和平滑性(smoothness),即所谓的视界问题(horizon problem)。它也可以解释为什么宇宙是平坦的(flat)。它似乎还可以用来理解宇宙的(至少大体上的)各向同性(isotropic)。但近些年的观测和分析表明,我们的宇宙似乎并非完全各向同性 [参见Colin等人的论文,<a href="http://dx.doi.org/ 10.1051/0004-6361/201936373">Astron. Astrophys. 631, L13 (2019)</a>]。而新镜像物质理论的分步暴胀机制恰好可以解释这样的各向异性。</p><a name='more'></a><p>热大爆炸理论的另一个重大成就是对轻元素(特别是氢和氦)丰度的准确预言。早期宇宙中,核合成反应可以很好的解释我们观测到的宇宙元素丰度:大约四分之三的氢和四分之一的氦。它也很好地预言了大爆炸的残留-宇宙微波背景辐射的存在。基于大爆炸理论的标准宇宙模型(<strong>ΛCDM</strong>),尽管只是一个唯象参数模型,但加上简单的暗能量(<strong>Λ</strong>)和冷暗物质(<strong>CDM</strong>)后,可以解释大量的观测数据,特别是与越来越精确的微波背景辐射数据的符合。</p><p>但我们对早期宇宙的历史还知之甚少。暴胀大概发生在宇宙温度约为10<sup>16</sup> GeV时(略低于Planck温度的10<sup>19</sup> GeV)。除此之外,我们对宇宙在温度高于0.01 GeV(核合成的开始时刻)的历史(至少20个数量级)几乎一无所知。</p><p>我们相信正反物质的不对称性或者净重子(质子和中子)的生成(baryogenesis)就发生在这其中的早期时刻。理由如下。假定宇宙正反物质在早期是完美对称的。我们就会得到同样数量的正重子(正质子和正中子)和反重子(反质子和反中子)。当温度降低时,正反粒子会互相湮灭变成光子。如果这种完美对称性一直保持到温度降低到0.038 GeV以下,那么我们的宇宙将无法剩下足够多的重子来形成我们今天所看到恒星和星系。</p><p>我们今天观测到重子数对光子数的密度之比约为6.1 × 10<sup>-10</sup>。这似乎意味着正反物质对称性的破缺不大,应该容易实现。但事实上并不简单。</p><p>Sakharov,前苏联物理学家,早在1967年就提出了实现正物质的净生成的三大必要条件: 1. 必须违反重子数守恒(B-violation);2. 电荷共轭(C)和电荷共轭+宇称(CP)对称性也必须被打破;3. 还要远离热平衡。粒子物理的标准模型(Standard Model)的确包含有这些对称性的破缺。然而如果不引入新物理,这些已知的对称破缺尺度太小而无法解释今天宇宙的正物质含量。</p><p>下面我们来看看新镜像理论是如何实现这种正反物质对称性的破缺。一个最关键的要素是新理论自然引入了普通和镜像中性K<sup>0</sup>介子之间的振荡(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)。这一机制是新理论对中性强子的普适规律。其中关于中子的(n-n’)振荡的很多效应在前面的博文里已经介绍过。我们将看到(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)振荡是如何导致这种对称破缺,以及这两种振荡是如何一致定量地给出我们今天观测到的正物质和暗(镜像)物质含量。</p><p>K<sup>0</sup>介子是由一个down(d)夸克和一个strange(s)反夸克组成的中性介子。它和对应的反介子组成一个非常奇妙的系统。人们在宇称不守恒(P-violation)发现十年之后的上世纪六十年代,就发现这一介子系统对电荷共轭+宇称也是不守恒的(CP-violation)。此CP违反可导致K<sup>0</sup>正反介子之间的相互转化或振荡。这种效应可以解释为K<sup>0</sup>介子的CP本征态和其质量本征态是不重合的。实验上可以确定这两个质量本征态(长寿命的K<sup>0</sup><sub>L</sub>和短寿命的K<sup>0</sup><sub>S</sub>)的质量差非常小,只有3.5×10<sup>-6</sup> eV。考虑到K<sup>0</sup>质量约为0.5GeV,我们可以得到一个非常小的相对质量差参数7×10<sup>-15</sup>。这几乎和我们之前讨论的独立的普通-镜像物质质量差参数是一样的。这表明它们应该共享同一对质量本征态。(我们在以后的博文中会更详细讨论这种巧合。)</p><p>新理论提出了一个重要的叫作分级夸克凝聚(staged quark condensation)的自发对称破缺机制。在宇宙温度降低到大约100GeV时,顶(top)夸克开始凝聚(生成几年前才测到的希格斯粒子-Higgs),各种对称性包括电弱和镜像以及CP对称开始破缺,各个费米子开始获得质量。当温度降到更低时,其他夸克也依次开始凝聚。我们在以后的博文中会详细讨论这一机制的来龙去脉。</p><p>当宇宙温度降到大约150-200MeV时,s夸克开始凝聚,强相互作用(QCD)的相变也发生在这个温度。含s夸克的最轻的强子就是K介子。所以会有一半的s夸克沉淀为带电的K±,另一半凝聚为中性的K<sup>0</sup>介子。根据其弱相互作用的反应截面,我们可以算出K<sup>0</sup>介子的退耦温度(freezeout temperature)大约为100MeV,也就是说低于此温度它们几乎不再参与相互作用而开始自由衰变了。这就要求(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)振荡必须发生在这两个温度之间。幸运的是K<sup>0</sup>介子的寿命确实足够长,这保证新理论能够有效。</p><p>利用上面讨论的质量差和(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)混合强度,可以容易算出,在这个温度区间会有大约5%的K<sup>0</sup>介子发生(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)振荡转变。由于CP违反的影响,正反K<sup>0</sup>介子与其镜像粒子的振荡会有大约百万分之五的区别。于是最后正K<sup>0</sup>介子会比反K<sup>0</sup>介子多出大概一亿分之八。这其中多余的d夸克最终组成正重子(即质子和中子),并演化为我们今天看到的正物质世界。而多余的反s夸克将会通过下面要讲的拓扑跃迁湮灭掉。</p><p>量子规范场论的拓扑性质首先在七十年代由研究其非平凡的真空拓扑结构-瞬子(instanton)解开始。然而这些瞬子跃迁要通过不同真空之间的量子隧道效应来实现(被抑制上百个数量级),实际上几乎不可能发生。在八十年代,Klinkhamer和Manton提出了电弱规范场SU(2)的鞍点(saddle-point)解- sphaleron。这提出了一种有限温度跃迁的可能,即9个夸克和3个轻子一起在高温下越过两个真空之间位垒的拓扑跃迁(重子数违反为3)。但是计算可知这个位垒高度可达大约10TeV,远远高于我们所要考虑的温度或能量。</p><p>幸好分级夸克凝聚可以给出另一种类似的拓扑解-quarkiton。相对于s夸克凝聚,s-quarkiton涉及到3个s夸克和3个反s夸克之间的拓扑跃迁(重子数违反为1)。可以估算这个位垒要低得多,大约和K<sup>0</sup>介子的质量相当。这使得此拓扑跃迁几率很大,前面提到的任何多余的反s夸克可以很容易变成正s夸克而最终湮灭。</p><p>考虑到早期宇宙中熵的守恒,不象重子数对光子数的密度比会随宇宙演化而变,重子数密度对熵密度的比 n<sub>B</sub>/s 是不变的因而更方便用来比较。今天我们已知的观测值是n<sub>B</sub>/s=8.7 × 10<sup>-11</sup>。然而考虑到上面的K<sup>0</sup>介子振荡,我们得到一个较大的剩余重子数对熵的密度比,即5.6 × 10<sup>-10</sup>。难道是计算误差吗?</p><p>当然不是。这时(T=100MeV)的重子数实际上是我们今天看到的普通和镜像(暗)物质的总合。早在前文“<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%983-%e6%a8%a1%e5%9e%8b%e5%bb%ba%e7%ab%8b%e4%b8%8e%e4%b8%ad%e5%ad%90%e5%af%bf%e5%91%bd%e5%92%8c%e6%9a%97%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b9%8b/">镜像世界探秘3-模型建立与中子寿命和暗物质之迷</a>”中,我们就知道(n-n’)振荡在温度大约为70MeV左右时发生作用,并将大部分重子转化为镜像(暗)物质。最后我们就得到了普通重子数与镜像重子数之比为观测到的1:5.4。</p><p>综上所述,我们看到新理论的(K<sup>0</sup>-K<sup>0</sup>’)和(n-n’)振荡机制对正反物质的不对称性和暗物质之谜给出了一个令人惊叹的完美一致的解释。K<sup>0</sup>介子和中子是普通和镜像这两个世界的最重要的相互交流的信使。正是它们给了我们一个如此精彩的世界。在新理论的导游下,这场探秘之旅将会揭示我们宇宙的更多的奥秘。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-50524165912882825732020-12-19T14:10:00.000-05:002022-01-05T00:07:54.790-05:00镜像世界探秘4——超高能宇宙射线之谜<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#uhecr">Neutron-mirror neutron oscillations for solving the puzzles of ultrahigh-energy cosmic rays</a>”</p><p>本来这一阶段我更痴迷于用新模型解决中微子和正反物质不对称之谜,但一来这些问题更困难一些 ,二来受之前类似工作的启发,我便先完成了相对容易的关于超高能宇宙射线(ultrahigh energy cosmic rays)之谜的论文。而且通过前两篇奠基性论文,新模型的两个内廪参数(n-n’混合强度和质量差)已大体确定。但新镜像理论(mirror matter theory)的宇宙学参数——镜像物质对普通物质温度之比(T’/T)还未知,研究超高能宇宙射线之谜恰恰可以确定这一参数。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>1912年,奥地利物理学家Victor Hess坐气球升到海拔超过5000米的高空中通过放电实验发现了来自外太空的辐射,即宇宙射线。为此,他1936年与发现了正电子的Anderson一起分享了1936年的物理诺奖。</p><p>今天我们知道宇宙射线主要由质子以及可能其他原子核组成。相对低能的宇宙射线主要来自我们的银河系。但是我们知道超高能宇宙射线(例如10<sup>19</sup> eV)肯定是来自河外星系 。这些超高能宇宙射线的各向异性首先由两个最大的观测团队于几年前证实。一个是Pierre Auger Observatory(PAO)位于南半球的阿根廷,占地面积达几千平方公里。另一个是Telescope Array(TA)位于北半球的美国,覆盖面积达几百平方公里。</p><p>这些宇宙射线的能量是如此之高,稀薄的星际介质几乎无法改变它们的飞行方向。这使得我们可以利用这些超高能宇宙射线去发现和研究产生这些射线的源。然而真空不空,星系之间即使几乎不存在原子等物质,至少暗能量无处不在。自从Penzias和Wilson在1965年发现了宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background)后,我们知道宇宙也到处充斥着这些宇宙大爆炸残留的极低能量的光子,其温度现在只有绝对零度之上的2.73度。然而正是这些背景光子使得宇宙在大尺度上对超高能宇宙射线并不透明。</p><p>高能质子射线会和这些光子发生<em>π</em>介子生成反应(photopion reactions),并且每一次反应都大约会失去20%左右的能量。由于能量守恒,只有当质子能量至少高于~6 × 10<sup>19</sup> eV时,这样的反应才会发生。这一截断能量以三位物理学家Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK)的名字命名。根据微波背景辐射密度,可以容易估算出高能质子每穿行一千万光年就会如此反应一次(也即平均自由程)。以我们所知的可观察宇宙的大小,一个质子从遥远的源头在到达地球被探测前这样的反应可以达到上千次导致它的能量几乎必然低于这一截断能量。前面提到的三位物理学家首先在1966年就预言了在超高能宇宙射线能谱上应该能观测到这样的GZK截断。但是直到2008年,前面提到的PAO团队和另一个(HiRes)团队才证实了类似GZK截断的存在。</p><p>然而故事并没有到此结束,观测到的能量截断并没有理论预言的那么强。事实上,人们观测到了过多的超过10<sup>20</sup> eV的事例。并且我们无法把这些超GZK事例和任何可能的天体源联系在一起。根据对探测信号的拟合,现在流行的解释是认为这些超GZK事例是由重核,特别是铁原子核构成的宇宙射线造成的。这一流行解释有两个致命弱点。一个是我们已经知道宇宙(重子)物质的3/4都是质子(即氢元素的核),铁核所占比例几乎可以忽略不计。另外一个就是在如此高的能量上,还用低能的标准模型来拟合信号是有问题的。</p><p>Farrar和Allen [<a href="https://arxiv.org/abs/1307.2322">arXiv:1307.2322</a>] 利用强子手征对称性在高温下的恢复(Chiral Symmetry Restoration -CSR)可以对探测信号给出更好的拟合,同时超高能事例都由质子来一致解释而无需重核。他们提出的CSR模型恰恰描述了新镜像理论的分级夸克凝聚(Staged Quark Condensation)的逆过程。这启示我们绝大多数超高能事例都应是质子,新镜像理论应该扮演一定的角色来解释过多的超GZK事例。</p><p>根据观测到的超高能宇宙射线能谱,其2×10<sup>20</sup> eV能量处大约只有五百分之一的GZK抑制效应,比预想的要弱得多。下面我们就来看看新镜像理论如何定量解释这一效应。</p><p>在新镜像理论的普通-镜像中子振荡(n-n’ oscillations)模型里,每一次中子的非相干散射或类似与背景光子的核反应都会有大约10<sup>-5</sup>的几率变成镜像中子。前面提到的光<em>π</em>介子反应可以实现质子和中子的相互转换,但只是对超GZK射线才可能。对于2×10<sup>20</sup> eV的超GZK质子或中子,它与背景光子生成正负电子对的反应截面更大。这导致其平均自由程要小的多,只有大约20万光年。换算成固有时其平均自由飞行时间大概是20秒。自由中子的寿命是888秒。于是我们可以估计出普通中子由于n-n’振荡变成镜像中子的概率为888/20×10<sup>-5</sup>即大约5×10<sup>-4</sup>。</p><p>类似地,暗物质就是由镜像粒子组成的镜像世界,并且存在着由镜像光子构成的镜像宇宙微波背景辐射。假定镜像物质对普通物质温度之比(T’/T)为0.3,也就是说镜像光子背景要比普通背景稀薄得多。这也使得镜像GZK截断可以高达2×10<sup>20</sup> eV。由于镜像粒子只和镜像光子作用,普通粒子也只和普通光子作用。我们可以得到镜像粒子的平均自由程因此要大得多,大约为普通粒子的平均自由程的1/0.3<sup>3</sup> ≈ 40倍。对于2×10<sup>20</sup> eV的超GZK镜像中子,我们同样可以估计出其变成普通中子的概率为888/20/40×10<sup>-5</sup>即大约10<sup>-5</sup>。</p><p>n-n’振荡可以提供两种机制产生地球上观测到的超GZK事例。一种是从普通中子振荡成镜像中子然后再振荡回普通中子。然而此过程的叠加概率太小,只有大约5×10<sup>-9</sup>,因而基本可以忽略不计。另一种就是镜像源的镜像粒子直接穿越大尺度的宇宙距离最后振荡成普通粒子。观测数据告诉我们,镜像物质(即暗物质)是普通物质的5倍。再考虑其40倍的平均自由程,所以到达地球的镜像宇宙射线比普通的要多200倍。利用上面估算的镜像到普通的10<sup>-5</sup>的转换概率,我们可以得到正好五百分之一的GZK抑制效应,与观测刚好符合。</p><p>上面的讨论显然依赖于温度比(T’/T)的数值。观测表明镜像温度必须低于普通物质温度。大爆炸的早期元素合成,特别是氦丰度的精确测量,要求T’/T必须小于1/2。而超高能宇宙射线的观测并结合以上的讨论则告诉我们T’/T ≈ 0.3。这也给宇宙射线限制了一个更强的能量截断:≤ T/T’× 6 × 10<sup>19</sup> eV ≈ 2×10<sup>20</sup> eV(假定T’/T ≈ 0.3)。如果我们能把现在的超高能宇宙射线探测器效率再提高一个数量级,我们应该能观测到这个预言的新截断。</p><p>按照新镜像理论,我们观测到的超GZK宇宙射线事例都来自于更遥远的镜像源。而我们的探测器无法直接“看到”镜像物质以及镜像光子。这也解释了为什么我们无法确定这些超GZK宇宙射线事例的所对应的源。</p><p>更有意思的是,从这样的镜像源产生的较低能镜像质子射线无法通过镜像photopion反应生成镜像中子,也就不能通过n-n’振荡变成我们可观测的宇宙射线。超GZK事例于是成为这些镜像源唯一可被我们观测到的射线。观测到的低于GZK截断的宇宙射线应该主要来源于普通源。于是如果我们选取一个特定方向来观测一个大的镜像源,我们会测到过多的超GZK事例同时较少的亚GZK事例。2018年<a href="http://dx.doi.org/10.3847/1538-4357/aac9c8">TA团队发表的论文</a>恰好展示了他们观测到的宇宙射线在GZK截断附近的这种反相关性。这也是新镜像理论的一个有力佐证。</p><p>一个有趣的巧合是,TA团队测到的超GZK热点方向很可能与LIGO引力波团队探测到的最大的黑洞融合事件(GW170729)一致,也几乎和Lynx Arc超星系团重合。Lynx Arc是已知的最激烈的恒星形成区域,距我们大约有120亿光年远,蕴藏着早期宇宙恒星形成的奥秘。其中也很可能有大量镜像物质,并产生超高能镜像宇宙射线,这样的距离也刚刚好在可观测范围内,且正好在TA团队测到的热点方向。GW170729黑洞融合事件恰巧也被粗略估算为大概100亿光年远,但方向不大确定,只是可能和TA热点方向相容。</p><p>也许在不远的将来,更丰富的超GZK宇宙射线的观测可以告诉我们更多的关于来自遥远的镜像星系或者宇宙之初恒星刚开始形成的美丽故事。我们将翘首以待。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-27688462951860498842020-09-16T23:36:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.810-05:00生命的意义是什么?<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/288017836">既然所有的生命都要死亡,那么生命的意义是什么?</a></p><p>这是一个很大的问题,也是一个不容易回答的问题。而且存在很多不同角度的回答。这样的回答,从大到全宇宙的上帝视角,到全体生命的精神内涵,到智慧生命的认知角度,到人类社会的方向,到社会组织结构(大到国家,地区,小到社区,家庭)的层次,一直小到个人的体验,都可能千差万别。对生命的意义的回答还依赖不同学科的探讨:自然科学上的,社会学的,哲学的,文学的,艺术美学的,生物学的,甚至个人体验的,都可能反映了问题的不同侧面。</p><p>这里我们利用现代科学特别是物理科学的空前进展所给予我们的启示来讨论生命的意义。</p><a name='more'></a><p>现代科学帮助我们理解了几个非常深刻的概念。一个就是时间是有箭头的,如果我们的宇宙是完美时间对称的,那么时间的单向性或不可逆性就不存在,死亡的概念就不存在,生命和它的意义也就无从谈起。</p><p>还有一个是量子理论的变分原理(费曼的路径积分形式)。原则上所有可能的路径或历史都有幅度相等的贡献,但绝大部分都互相抵消了。只有在极值路径附近的贡献才真正有效。而决定极值路径的就是物理体系的规律,即体系的对称性及其破缺。或许,每一个人的生命也同样有幅度相等的意义,但只有那些符合生命大道的人生轨迹才真正引领着人类历史的方向。</p><p>另一个就是和时间对称破缺紧密相关的动态演化和相变机制。这和生物学上的进化论有些类似。宇宙和生物似乎都有一种阶越式的演化规律。按照我们现在已知的进化论理解,地球上的生命很可能是这样阶段式演化来的:先是出现有自我复制能力的生命大分子,然后是单细胞生物,多细胞生物,海洋里的脊椎动物,陆地上的哺乳动物,一直到灵长类和人类的出现。这就是一系列生命的质的飞跃。</p><p>现代宇宙学的进展同样告诉我们,宇宙是处于动态演化之中的,包括它的时空维度和物理组成及规律。特别是最近提出的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/" target="_blank" rel="noreferrer noopener">镜像世界理论(mirror matter theory)</a>的最新进展——<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#susy">超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)</a>预言宇宙的演化也是由于一系列对称破缺和相变,包括时空维度的相变/暴胀(inflation)组成。</p><p>时间维度是第一个从量子混沌中暴胀出来的,它的自发破缺导致时间箭头的出现。然后宇宙演化为一个二维的世界,第一代规范玻色子(gauge bosons)和马约拉那(Majorana)费米粒子出现,同时也是热大爆炸(hot big bang)的开始。随着宇宙的逐渐冷却,马约拉那费米子会像超导现象一样凝聚(condensation)进而引发另两维空间的暴胀,同时手征镜像对称破缺把物质世界分成两个完全分开分别对应普通和镜像的世界(ordinary and mirror sectors)。这两个世界共享一个四维时空,但各自有自己的一套无质量的基本粒子和规范相互作用。接下来的相变就是逐级的夸克凝聚,导致镜像对称破缺,我们的普通世界变成左手的而镜像世界成右手的,同时基本粒子也获得了质量。这就是我们现在的宇宙。镜像物质就是我们常常提到的暗物质。</p><p>显然,探索宇宙的真谛就是要理解这一系列动态演化的规律。在不论宇宙还是生物的演化之路上,每一次质的飞跃(或者称为相变)都带来不一样的世界和规律。我们似乎可以无限逼近却又无法完全领会全部的真理,一种类似数理逻辑的哥德尔(Gödel)不完备定理的奥义也在制约着我们对自然的理解 [参见通俗文章:“<a href="https://arxiv.org/abs/2003.04687">No single unification theory of everything</a>”]。这或许就是生命意义的真正所在,对无尽真理的探索才是生命意义的永恒。</p><p>一切出于人类好奇心而追求的对自然的理解,对精神世界,对艺术美学,(即真、善、美)等等的探索可能都是人类发展的意义,即生命演化的极值路径。其他的人类历史长河的现象和事件可能不过就是一时的噪音而最终互相抵消。我们是自然演化出来的智慧物种,同时也是可能可以无限渐进式理解自然的唯一物种。这或许就是我们人类整体存在的意义。每一个个体生命有选择参与发展或做背景噪音的自由。你生命的意义或你的选择在哪里?</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-67130997638791592512020-09-06T23:57:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.829-05:00广义相对论和量子理论的矛盾是什么?<div class="wp-block-group"><div class="wp-block-group__inner-container"><p>知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/407448790" target="_blank" rel="noreferrer noopener">广义相对论和量子力学的矛盾是什么?</a></p></div></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>这大概算是在憧憬一种大一统理论之下的误解。其实广义相对论(general relativity)和量子理论(quantum theory)没有不可调和的矛盾。根据最新提出的的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/" target="_blank" rel="noreferrer noopener">镜像世界理论(mirror matter theory)</a>,特别是在动态时空演化下的超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models),广义相对论描述的是时空维度暴胀(inflation)后量子涨落被平滑后导致的平均场效应,即暴胀后平滑的时空几何。在这种意义下,这两种理论完全相容并对我们的宇宙做出一致的描述。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>更详细的思想讨论可以参见这篇通俗论文:“<a href="https://arxiv.org/abs/2003.04687">No single unification theory of everything</a>”。但其实历史上的经验已经暗示了这两个理论的相容性。</p><p>爱因斯坦(Einstein)和玻尔(Bohr)的世纪辩论就发生在广义相对论建立不久,同时也是量子力学的发展初期的1930年。当时爱因斯坦提出了光子之盒的思想实验来质疑量子力学的测不准关系。玻尔恰好用广义相对论的引力红移解决了这个悖论。这大概是第一个惊人的证据表明两个似乎不相干的理论本质上是相容的。</p><p>但这两个理论自建立后就很少有交集。广义相对论可以很好的描述宇宙的大尺度性质而量子理论则是研究微观粒子的利器。人们很少需要同时使用两个理论去解决问题。但随着粒子物理标准模型(Standard Model)的建立和宇宙微波背景辐射等最新观测引领的精确宇宙学的发展,理解这两个理论的关系问题就真正开始提上了日程。</p><p>有这么三种情形,人们不得不同时面对两个理论。一个是宇宙的起源,也即宇宙大爆炸(big bang)的动力学。再一个就是对黑洞的描述。最后一个是人们对大一统理论(theory of everything)的向往。尽管研究越来越深入,可人们并没有发现两个理论的不可调和的矛盾。相反,证据越来越指向两个理论的互补性。</p><p>量子理论的自然的有限度量,比如普朗克(Planck)尺度,可以很好地缓解宇宙大爆炸和黑洞的奇点问题。霍金(Hawking)的黑洞辐射理论也揭示着这种互补相容性。唯一的矛盾是人们在研究量子引力类型的统一场论时发现对广义相对论量子化会导致无穷发散。但如果广义相对论对应的引力就只能是一个经典,有效,或平均场理论呢,对它的量子化可能根本没有意义呢?</p><p>另外一个表面上的矛盾就是暗能量问题,或者说量子理论的标准模型的真空所预言的爱因斯坦场方程中的宇宙学常数与观测到的暗能量严重不符。这其实只是告诉我们标准模型并不是量子理论的最终形式。标准模型的真空能量似乎太大,很可能是因为镜像对称(mirror symmetry)的另一半的缺失。加入镜像对称而拓展的4维镜像理论恰好可以解决这一矛盾。</p><p>最新的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/" target="_blank" rel="noreferrer noopener">镜像世界理论(mirror matter theory)</a>告诉我们,延展平滑的时空几何来自于自发对称破缺导致的时空维度的暴胀(inflation)。万有引力就来自于平滑的时空几何。于是广义相对论就是4维平滑时空下量子场论的有效平均场理论。<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#bh">对应的二维时空的新引力理论就可以描述宇宙大爆炸的早期时刻和黑洞内部</a>。</p><p>按照这一新的理解,量子理论和广义相对论的关系有些类似原子微观动力学和统计热力学的关系,但显然要更深刻得多。因为量子演化孕育了万有引力,而引力的出现也同时给了量子世界一个美丽的时空舞台。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-27899677055836584292020-09-04T23:50:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.847-05:00为什么物理学的突破放缓了?<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>知乎问题:<a href="https://www.zhihu.com/question/375251694" target="_blank" rel="noreferrer noopener">为什么物理学的突破放缓了?</a></p><p>其实从某些物理分支学科来看,比如凝聚态物理及其他量子应用物理的角度来看,最近几十年的发展非常迅猛。但人们更关心的可能是更基础的物理理论体系的划时代的突破。出于人类天生的探索本源的好奇心驱使,而且基础物理建筑在人类理解自然和科学认知的顶端,所以它的突破更容易为人们所津津乐道。然而其他下级物理分支学科尽管受基础物理进展的影响但事实上是不能从基础物理完全导出的,即使原则上也不行。关于这方面的讨论,可以参见这篇通俗文章:“<a href="https://arxiv.org/abs/2003.04687">No single unification theory of everything</a>”</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>那么我们来看看是不是基础物理的突破确实放缓了呢?人们谈论最多的是牛顿(Newton)和爱因斯坦(Einstein)所作出的划时代的贡献。无可否认他们以及他们的成就都是人类在物理乃至科学上最值得称道的。但上个世纪前70年里,通过几代物理学家的努力,量子理论的建立可能是人类历史上(在我看来至少在思想认知上)最伟大的突破。它大体上可以分为四个阶段性的胜利成果:非相对论性量子力学,相对论性量子力学,基于量子场论(quantum field theory)思想建立的量子电动力学(QED),和我们现在已知最接近完善的量子场论的标准模型(Standard Model)。[参见博文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%89%a9%e7%90%86%e5%ad%a6%e8%bf%98%e4%bc%9a%e6%9c%89%e5%88%92%e6%97%b6%e4%bb%a3%e6%84%8f%e4%b9%89%e7%9a%84%e7%aa%81%e7%a0%b4%e5%90%97/">划时代的突破</a>”]</p><p>然而自从上世纪70年代标准模型的建立,量子理论的发展似乎遇到了瓶颈。人们感到最近50年与之前70年量子理论(还包括相对论)的红火相比,基础物理似乎不再有往日的风华。就连物理大师杨振宁也感慨“盛宴已过”(The party is over)。那么实际情况果真如此吗?</p><p>先不谈下面要讲到的全新理论突破。就从实验和观测的角度,在我看来,过去几十年来基础物理至少有两大突破。一个是中微子振荡的发现让我们知道中微子是有质量的,这大概是从粒子物理角度上第一个确切肯定的超越标准模型的现象。另一个就是宇宙微波背景辐射(CMB)和其他天文观测的大发展引领了精确的宇宙学研究,特别是标准宇宙模型(ΛCDM)的建立。这让我们肯定了暗物质和暗能量的存在。这一切都在告诉我们标准模型不可能是量子理论的最终形式。</p><p>显然量子理论本身的探索远未完成。这下一个阶段的标志性成果很可能就是新近提出的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/" target="_blank" rel="noreferrer noopener">镜像世界理论(mirror matter theory)</a>。这一理论自然地包括一个标准模型的镜像扩展。与之前四个阶段的量子飞跃不同,我们不再经历一种渐进式逐步完善的理论模式,而是体验到几种最闪光思想的韵味绵长的大交融。由李杨的宇称对称不守恒(parity violation)而生发的镜像对称(mirror symmetry)思想;基于南部阳一郎(Nambu)的想法的对超对称(supersymmtry)的最新理解;再加上南部阳一郎的自发对称破缺思想和费米子凝聚(Fermion condensation)导致的相变机制;费曼(Feynman)路径积分形式所给出的量子变分原理;由’t Hooft的瞬子(instanton)等拓扑跃迁开始的对量子场论拓扑性质的研究,等等。所有这些思想在过去几十年都有自己的发展轨迹,最终它们都汇聚一起促成系列超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)的建立。更详细的镜像世界理论的历史和介绍可以参见我的博文:<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%981-%e9%95%9c%e5%83%8f%e7%89%a9%e8%b4%a8%e7%90%86%e8%ae%ba%e6%bc%94%e4%b9%89/" target="_blank" rel="noreferrer noopener">镜像世界探秘1——镜像物质理论演义</a>。</p><p>前面提到过的实验和观测的突破也为<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%983-%e6%a8%a1%e5%9e%8b%e5%bb%ba%e7%ab%8b%e4%b8%8e%e4%b8%ad%e5%ad%90%e5%af%bf%e5%91%bd%e5%92%8c%e6%9a%97%e7%89%a9%e8%b4%a8%e4%b9%8b/">镜像世界理论的建立</a>奠定了基础。这一时期给人进展缓慢的感觉主要是因为很难真正欣赏每一单个思想的发展。刚刚建立的镜像世界理论还有待实验的进一步验证,尽管新镜像理论恰恰可以作出现在的实验室条件下就能验证的预言(参见<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#ckm">arXiv: 1906.10262</a>)。也许还要再过上若干年,人们才能给予这些思想恰当的评价,才能真正领会它们的意义。即使大家都对之很失望的超弦理论也很可能是用来研究超对称镜像模型的不错的数学工具(大体相当于黎曼几何对广义相对论的意义)。</p><p>再过十年当我们回顾这段历史,也许我们会终于守得云开见月明,发现这原来是一段大发展的时代。还是苏轼那句名言:不识庐山真面目,只缘身在此山中。我们不妨再等等,等我们走出这一片迷雾时。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-33858996531133493792020-08-29T02:54:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.861-05:00镜像世界探秘3——模型建立与中子寿命和暗物质之谜<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#nosc">Neutron oscillations for solving neutron lifetime and dark matter puzzles</a>”</p><p>这篇论文通过对中子反常寿命和暗物质之谜的解决得以成功建立了一个相当精确而且自洽的镜像世界模型(Mirror Matter Model)。它同时也解决了之前一篇博文(<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%982-%e6%81%92%e6%98%9f%e6%bc%94%e5%8c%96%e5%92%8c%e5%85%83%e7%b4%a0%e5%90%88%e6%88%90%e4%b9%8b%e8%b0%9c/">镜像世界探秘2</a>)谈到的恒星演化和元素合成之谜。</p><p>中子,于1932年由Chadwick首先从实验上发现并于1935年获得诺贝尔奖。中子和质子一起组成了所有元素的原子核。但自由中子是不稳定的,它的寿命只有大概15分钟,然后就会通过我们唯一已知的方式衰变成一个质子,一个电子,和一个反中微子(即β decay)。</p><p>前文提到新镜像理论一个主要的贡献就是新中子振荡(n-n’)模型的提出。关于普通-镜像中子振荡(n-n’)的想法很久就有了。但它真正引起人们注意的是由于最近几年有关中子寿命反常的测量。还有另一种中子振荡是指更早期的认为正反中子互相转化的想法。</p><p class="mod-reset"><a name='more'></a></p><p>事实上,早在1970年,前苏联物理学家Kuzmin就根据CP违反提出正反中子振荡的可能。七十年代末和八十年代处,一些美国物理学家[包括诺奖获得者格拉肖 (Glashow)]也提出类似想法。然而实验表明,正反中子的质量差即使存在也太小了(<10<sup>-23</sup> eV)而难以有显著的振荡效应。显然,至少正反中子振荡不可能解释中子寿命的反常。</p><p>中子寿命的测量方法一般分为两种。其中一种叫“束(Beam)”方法。这种方法顾名思义就是通过加速器或反应堆产生中子束流,然后探测飞行中的中子的衰变产物比如质子和最后没衰变的中子。这样测量的中子寿命直接对应它的β衰变方式。目前为止,“束”方法给出的平均中子寿命为 888.0±2.0 秒。其中最精确的测量结果为发表于2013年的 887.7±1.2[stat]±1.9[syst] 秒 [<a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.222501">Yue et al., Phys. Rev. Lett. 111, 222501 (2013)</a>]。</p><p>另外一种叫“瓶(Bottle)”方法。这种方法所用的超冷中子(Ultra-cold neutron / UCN)是指中子动能大约小于10<sup>-7</sup> eV 以至于它很容易被地球的引力束缚住,同时也在很多材料表面发生全反射。所以超冷中子能被储存在容器里,甚至上面开口的容器里。</p><p>然而各种材料表面很难避免含氢化合物的污染,这导致中子被吸收而不是全反射。直到人们发现了一种机油(Fomblin)作为容器表面的涂层从而可以避免这样的问题。在法国的Grenoble小城的ILL实验室,一些物理学家首先用这种方法对中子寿命被进行了测量。他们最好的结果发表于1989年 [<a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.63.593">W. Mampe, P. Ageron, C. Bates, J. M. Pendlebury, A. Steyerl, Phys. Rev. Lett. 63, 593 (1989)</a>]。</p><p>这是一项真正经典的实验工作。他们做了一个体积可变的超冷中子储存容器并绝妙地设计了一套消除中子速度依赖性的实验方案。通过拟合并外推到中子与容器壁无碰撞的理想情况,他们测定了中子的寿命为887.6±3.0 秒(其中统计误差只有1.1秒)。他们的结果与后来的“束”方法的结果惊人地符合。</p><p>不幸的是,实验的领头人Walter Mampe很快(1990年)得了癌症并于92年去世。这一实验的核心设计似乎就此“失传”。后来的“瓶”方法实验大都效法于此,但却未能领会其真正的精髓。以至于,现在权威的PDG数据汇编(pdg.lbl.gov)采用的平均中子寿命879.4±0.6秒没有考虑这一经典实验结果。</p><p>尽管“瓶”方法的实验技术在不断进步,人们发现根据量子力学所预言的中子全反射并不能完全实现。似乎中子在于容器壁碰撞后总有一些会神秘地消失。于是人们本能地把这归结于容器壁的不完美。那么,怎样才能让它完美呢?</p><p>“瓶”方法的下一个突破是磁约束的采用。中子具有磁矩,所以可以用磁场来束缚中子同时避免中子与容器壁的碰撞而让容器变得“完美”。采用这一磁阱(magnetic trap)的办法所给出的最精确的测量是UCNτ团队于2018年发表的结果:877.7 ± 0.7(stat) +0.4/–0.2(sys) 秒 [<a href="https://doi.org/10.1126/science.aan8895">Pattie et al., Science 360, 627–632 (2018)</a>]。</p><p>由此我们可以看到最新“瓶”方法和“束”方法的中子寿命结果相差将近10秒。这一大约1%的分歧超过了4个标准差,现在被称作中子寿命反常(neutron lifetime anomaly)。这一反常暗示着一种涉及中子的新物理过程。而它恰恰可以为新镜像世界理论下的中子振荡(n-n’)模型所解释。</p><p>新中子振荡模型和中微子振荡理论非常相似。中微子振荡是由三代中微子之间的质量差来决定。而新(n-n’)模型是由普通和镜像中子之间的质量差来决定。一个是代对称(family symmetry)的破缺,一个是镜像对称(mirror symmetry)的破缺。除引力外,普通和镜像中子之间不存在其他相互作用。中子振荡发生是由于相互作用本征态与质量本征态不一致造成的,可以很容易用量子力学来计算。</p><p>根据新模型,中子每一次与容器壁的非相干碰撞都会有大约10<sup>-5</sup>(约等于普通-镜像中子的混合强度参数的一半)的机会变成镜像中子而消失。这可以定量地解释为什么“瓶”方法的测量结果总是偏小。事实上,历史上大多“瓶”方法给出的中子寿命数值都偏小并且很多结果之间也不自洽,有时甚至超过5个标准差。一些尺寸很小的磁阱的测量甚至给出特别小的寿命值,尽管误差很大,但却与新模型一致。</p><p>中子寿命的测量对新模型的混合强度参数(mixing strength = sin<sup>2</sup>(2θ) ~ 2×10<sup>-5</sup>, θ是混合角)可以给出很好的限制,比如Mampe的实验和UCNτ团队的结果可以给出0.8-4×10<sup>-5</sup>这样的范围。未来的进一步实验甚至可以更精确地测定混合强度。但新模型的另一个参数——(n-n’)质量差却无法由寿命实验确定。在以后的博文我们会详细讨论怎样用实验室检验来验证新模型并精确测量其参数。</p><p>但是现在我们需要有另外一个办法来确定普通-镜像中子的质量差。这就是我们下面要讨论的暗物质(dark matter)问题。</p><p>暗物质的存在可以追溯到上世纪的30年代甚至更早的对星系和星系团的观测。光靠可见的恒星物质无法解释它们的运行速度,一定还有其他不可见物质的引力作用才能把它们束缚在一起形成星系和星系团。到现在,已经有越来越多的其他证据证明暗物质的存在:其中包括引力透镜效应,宇宙的大尺度结构,微波背景辐射,星系团的碰撞结果Bullet Cluster,等等。</p><p>在现在的标准宇宙模型(ΛCDM)下,冷暗物质在宇宙各向同性的假设下大约占宇宙总能量的27%(另外68%是暗能量及5%的普通物质)。热暗物质假设会与大爆炸核合成等观测结果相矛盾已基本被排除。但是冷暗物质到底是什么组成的还是一个谜。</p><p>最热门的候选暗物质是两种粒子:一种叫微弱作用的大质量粒子(weakly interacting massive particles or WIMPs);另一种叫轴子(axions)。WIMPS主要由传统的超对称模型支持。而axions的想法则来自于对强CP问题的PQ(Peccie-Quinn) U(1)对称性的假设。但事实上,实验结果和理论探讨都预示着这两种粒子可能根本不存在。</p><p>新的镜像物质模型是最有希望解决暗物质问题的。在新理论中,暗物质就是镜像物质(mirror matter)。而普通和镜像物质之间除引力外不存在其他任何相互作用。这意味着现在几乎所有的暗物质探测项目非常可能都是竹篮打水一场空。</p><p>下面我们回到宇宙早期来看看新中子振荡模型是怎么让普通和镜像物质演化成1比5.4这样的比例。当大爆炸后的宇宙冷却到大概10<sup>12</sup>开氏度(~100 MeV)时,也就是宇宙年龄大概一微秒时,宇宙的物质(重子)主要由质子和中子组成。弱相互作用会让它们保持平衡即一半对一半的比例。也就是如果有多余的中子产生,其中一部分就会被弱相互作用转化成质子。反之,质子也会被变成中子。总之它们会处于一半对一半的平衡中。</p><p>镜像物质也类似,这一时期也由镜像质子和中子组成。但是它们的温度不同,大概只有普通物质的1/3 (以后的博文会详细讨论这一点)。中子振荡(n-n’)主要发生在温度约等于70MeV的时候。显然,镜像物质首先冷却到这一温度(普通物质温度3倍于此),镜像中子先转化成普通中子进而与普通质子平衡。然后普通物质也冷却到70MeV,普通中子开始转化成镜像中子并进而成镜像质子。在新理论下,中子振荡(n-n’)成为了两个世界的信使,并让本没有其他相互作用的普通和镜像世界可以交换物质。</p><p>神奇的是,要想保证最后普通和镜像物质演化成1比5.4的比例,我们发现(n-n’)的质量差需要为 2×10<sup>-6</sup> eV (关于此参数更精确的讨论请关注以后的博文)。换句话说,暗物质的观测结果事实上确定了新模型的两个参数的依赖关系。更重要的是,我们看到这里决定的(n-n’)的质量差和对中子寿命反常的解释是相容的,并且它和<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%982-%e6%81%92%e6%98%9f%e6%bc%94%e5%8c%96%e5%92%8c%e5%85%83%e7%b4%a0%e5%90%88%e6%88%90%e4%b9%8b%e8%b0%9c/">新恒星演化理论</a>也是一致的。</p><p>至此,新的中子振荡(n-n’)的唯象模型建立起来了,它的两个参数——混合强度和质量差也同时相当精确地确定了,并与其他已知的物理相容。这一模型还显示着更强大的生机。通过对更底层的夸克混合的考虑,镜像理论可以得到进一步扩展。我们可以研究另一个重要的(K-K’)K介子振荡来研究正反物质不对称之谜,并更自洽地给出暗物质占比。我们将在以后的博文再详细讨论这些和新理论的更广泛的一致性拓展。</p><p>在下一篇博文,我们将通过对超高能宇宙射线的讨论来看看,新镜像理论的一个宇宙学参数——普通和镜像物质温度之比为什么大概是3:1?</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-18020185874243443882020-08-28T16:40:00.000-04:002022-01-05T00:39:31.868-05:00知乎物理问答<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e8%af%84%e5%bc%a0%e7%9b%8a%e5%94%90%e7%8e%b0%e8%b1%a1/">评张益唐现象</a></h2></div></div></div></div><div style="text-align: left;"><div class="wp-block-preformatted">说起来张益唐还是我的北大校友学长。几年前第一次得知他在孪生素数猜想上的突破性贡献时,对于他的际遇有一种莫名的共鸣震动,也就是所谓的“于我心有戚戚焉”。他的例子对我未尝不是一种莫大的鼓励,对于几年后实现我自己的突破肯定有些影响。及至这两年多来的经历,我不免又生出了很多感概,遂成此文 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e8%af%84%e5%bc%a0%e7%9b%8a%e5%94%90%e7%8e%b0%e8%b1%a1/">阅读全文</a></div></div><div class="boldgrid-section" style="text-align: left;"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%88%91%e4%bb%ac%e8%af%a5%e5%9d%9a%e6%8c%81%e7%a0%94%e7%a9%b6%e8%87%aa%e5%b7%b1%e7%9a%84%e6%9c%80%e7%88%b1%e5%90%97%ef%bc%9f/">我们该坚持研究自己的最爱吗?</a></h2></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">长期坚持自己最喜欢的问题的科学研究对做学术的人特别是年轻人常常是一个既美好又危险的事情。如果个人所爱恰恰是符合主流研究规范的话,那么恭贺你,你会顺利成长为一个标准的主流科学家。如果你的研究所爱特别另类,那么也恭喜你,因为这可能是具有颠覆性的创新研究。然而你可能未必完全清楚你所面临的巨大风险 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%88%91%e4%bb%ac%e8%af%a5%e5%9d%9a%e6%8c%81%e7%a0%94%e7%a9%b6%e8%87%aa%e5%b7%b1%e7%9a%84%e6%9c%80%e7%88%b1%e5%90%97%ef%bc%9f/">阅读全文</a></div><a name='more'></a><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%b5%85%e8%ae%ba%e5%ad%a6%e6%9c%af%e8%87%aa%e7%94%b1/">浅论学术自由</a></h2></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">现今的学术自由(即使是在似乎最自由的美国),或者具体地说终身(tenure)制度,其实也只是一个保护所谓“成功者”或权威者的制度。这样的一种学术制度其实和威权统治社会里的政治制度是非常相似的 。。。风险投资与学术Startup 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%b5%85%e8%ae%ba%e5%ad%a6%e6%9c%af%e8%87%aa%e7%94%b1/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e8%b6%85%e5%af%b9%e7%a7%b0%e7%90%86%e8%ae%ba%e5%bd%bb%e5%ba%95%e5%a4%b1%e8%b4%a5%e4%ba%86%e5%90%97%ef%bc%9f/">超对称理论彻底失败了吗?</a></h2></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">超对称(supersymmetry 或 SUSY)是在上世纪 70 年代为了在量子场论中引入费米子(fermions)和玻色子(bosons)之间的对称性而提出来的。特别是在 Coleman–Mandula 定理的发表后,超对称成为了非平庸地连接时空和其内廪空间对称性的一条途径。由于超对称的引入,物理模型通常会有更好的特性,特别是可重整性(renormalizable) 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e8%b6%85%e5%af%b9%e7%a7%b0%e7%90%86%e8%ae%ba%e5%bd%bb%e5%ba%95%e5%a4%b1%e8%b4%a5%e4%ba%86%e5%90%97%ef%bc%9f/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%95%99%e8%82%b2%e7%9a%84%e7%9b%ae%e7%9a%84%e5%92%8c%e6%84%8f%e4%b9%89/">教育的目的和意义</a></h2></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">教育是人类社会的一个大课题。在我看来,人类有别于其他生物的两个最重要的活动就是教育和创新(Education and Innovation)。而这两项活动是紧密联系在一起的,也是保证人类社会持续的传承和发展的基本方式 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e6%95%99%e8%82%b2%e7%9a%84%e7%9b%ae%e7%9a%84%e5%92%8c%e6%84%8f%e4%b9%89/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e5%bc%95%e5%8a%9b%e7%9a%84%e6%9c%ac%e8%b4%a8%e5%92%8c%e6%9d%a5%e6%ba%90/">引力的本质和来源</a></h2></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">历史上人们对引力的理解经历了两次重大的飞跃。第一次是牛顿的万有引力定律,引力作为一个普适的物理规律被理解为作用于所有物体之间,特别是宇宙中无处不在的奇妙的天体之间。第二次是爱因斯坦从第一性原理出发创立了广义相对论,把引力重新理解为4维时空的几何现象。然而 Penrose 和 Hawking 在六、七十年代证明了广义相对论将不可避免地导致时空奇点(比如黑洞)的产生,预示着广义相对论在极端时空条件下的失效 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e5%bc%95%e5%8a%9b%e7%9a%84%e6%9c%ac%e8%b4%a8%e5%92%8c%e6%9d%a5%e6%ba%90/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e7%94%9f%e5%91%bd%e7%9a%84%e6%84%8f%e4%b9%89%e6%98%af%e4%bb%80%e4%b9%88%ef%bc%9f/">生命的意义是什么?</a></h2><p><!--/wp:heading--></p><p><!--wp:preformatted--></p></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">这是一个很大的问题,也是一个不容易回答的问题。而且存在很多不同角度的回答。这样的回答,从大到全宇宙的上帝视角,到全体生命的精神内涵,到智慧生命的认知角度,到人类社会的方向 。。。利用现代科学特别是物理科学的空前进展所给予我们的启示来讨论生命的意义 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e7%94%9f%e5%91%bd%e7%9a%84%e6%84%8f%e4%b9%89%e6%98%af%e4%bb%80%e4%b9%88%ef%bc%9f/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p><!--/wp:preformatted--></p><p><!--wp:heading--></p><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e5%b9%bf%e4%b9%89%e7%9b%b8%e5%af%b9%e8%ae%ba%e5%92%8c%e9%87%8f%e5%ad%90%e7%90%86%e8%ae%ba%e7%9a%84%e7%9f%9b%e7%9b%be%e6%98%af%e4%bb%80%e4%b9%88%ef%bc%9f/" rel="noreferrer noopener" target="_blank">广义相对论和量子力学的矛盾是什么?</a></h2><p><!--/wp:heading--></p><p><!--wp:preformatted--></p></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">这大概算是在憧憬一种大一统理论之下的误解。其实广义相对论(general relativity)和量子理论(quantum theory)没有不可调和的矛盾。根据最新提出的的<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/" rel="noreferrer noopener" target="_blank">镜像世界理论(mirror matter theory)</a>,特别是在动态时空演化下的超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models),广义相对论描述的是时空维度暴涨后量子涨落被平滑后导致的平均场效应,即暴涨后平滑的时空几何。在这种意义下,这两种理论完全相容并对我们的宇宙做出一致的描述。 。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e5%b9%bf%e4%b9%89%e7%9b%b8%e5%af%b9%e8%ae%ba%e5%92%8c%e9%87%8f%e5%ad%90%e7%90%86%e8%ae%ba%e7%9a%84%e7%9f%9b%e7%9b%be%e6%98%af%e4%bb%80%e4%b9%88%ef%bc%9f/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p><!--/wp:preformatted--></p><p><!--wp:heading--></p><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e4%b8%ba%e4%bb%80%e4%b9%88%e7%89%a9%e7%90%86%e5%ad%a6%e7%9a%84%e7%aa%81%e7%a0%b4%e6%94%be%e7%bc%93%e4%ba%86%ef%bc%9f/" rel="noreferrer noopener" target="_blank">为什么物理学的突破放缓了?</a></h2><p><!--/wp:heading--></p><p><!--wp:preformatted--></p></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">其实从某些物理分支学科来看,比如凝聚态物理及其他量子应用物理的角度来看,最近几十年的发展非常迅猛。但人们更关心的可能是更基础的物理理论体系的划时代的突破。出于人类天生的探索本源的好奇心驱使,而且基础物理建筑在人类理解自然和科学认知的顶端,所以它的突破更容易为人们所津津乐道。然而其他下级物理分支学科尽管受基础物理进展的影响但事实上是不能从基础物理完全导出的,即使原则上也不行。关于这方面的讨论,可以参见这篇通俗文章:“<a href="https://arxiv.org/abs/2003.04687">No single unification theory of everything</a>” 。。。。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%9f%a5%e4%b9%8e%e7%89%a9%e7%90%86%e9%97%ae%e7%ad%94/%e4%b8%ba%e4%bb%80%e4%b9%88%e7%89%a9%e7%90%86%e5%ad%a6%e7%9a%84%e7%aa%81%e7%a0%b4%e6%94%be%e7%bc%93%e4%ba%86%ef%bc%9f/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p><!--/wp:preformatted--></p><p><!--wp:heading--></p><h2><a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%89%a9%e7%90%86%e5%ad%a6%e8%bf%98%e4%bc%9a%e6%9c%89%e5%88%92%e6%97%b6%e4%bb%a3%e6%84%8f%e4%b9%89%e7%9a%84%e7%aa%81%e7%a0%b4%e5%90%97/">物理学还会有划时代意义的突破吗?</a></h2><p><!--/wp:heading--></p><p><!--wp:preformatted--></p></div></div></div></div><div class="wp-block-preformatted">在写当前的突破之前,我们先来回顾过去:现代物理的第一个划时代突破大概要算伽利略(Galileo)首先把物理奠基为一门实验的科学。接下来是牛顿(Newton)的运动定律和他的万有引力的两大发现。这奠定了牛顿在物理乃至科学上的不可动摇的地位。 。。。 <a href="https://www.wanpengtan.com/%e7%89%a9%e7%90%86%e5%ad%a6%e8%bf%98%e4%bc%9a%e6%9c%89%e5%88%92%e6%97%b6%e4%bb%a3%e6%84%8f%e4%b9%89%e7%9a%84%e7%aa%81%e7%a0%b4%e5%90%97/">阅读全文</a></div><div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p><!--/wp:preformatted--></p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-55292107898985151642020-08-26T09:05:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.897-05:00物理学还会有划时代意义的突破吗?<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>在写当前的突破之前,我们先来回顾过去:</p><p>现代物理的第一个划时代突破大概要算伽利略(Galileo)首先把物理奠基为一门实验的科学。接下来是牛顿(Newton)的运动定律和他的万有引力的两大发现。这奠定了牛顿在物理乃至科学上的不可动摇的地位。</p><p><a name='more'></a></p><p>下一个划时代的发现是关于电和磁的统一理论。有很多物理学家对这一理论做出了重要贡献,包括:库仑(Coulomb),安培(Ampere),法拉第(Faraday),等等。最后麦克斯韦(Maxwell)是集大成者,写下了著名的麦克斯韦电磁方程。</p><p>然后堪比牛顿的爱因斯坦(Einstein)登场,也做出了两大划时代的贡献。其中狭义相对论(special relativity)的提出还算是时代的需要。而他的广义相对论(general relativity)以时空几何作为引力理论则只能说是人类纯粹思辨智慧的巅峰之作。这也使我们的经典力学(理论)走到了尽头。</p><p>最近的划时代的物理工作就是量子理论的建立。它不但带来我们哲学或认识论上极其深刻的思想革命,也直接导致电子信息时代的诞生并对我们现在的日常生活产生了无可估量的影响。量子理论的建立花了几代物理学家大约70年的时间(1900-1970s)才大体完成。粗略地说,从普朗克(Planck)的能量量子,到爱因斯坦的光量子,到玻尔(Bohr)的氢原子的量子模型,到海森堡(Heisenberg)和薛定谔(Schrödinger)的非相对论性量子力学,到狄拉克(Dirac)的相对论性量子力学,到费米(Fermi)的弱作用理论,到韦尔(Weyl)和杨振宁的规范理论,到费曼(Feynman)、朝永振一郎(Tomonaga)、施温格(Schwinger)和戴森(Dyson)的量子电动力学(QED),到盖尔曼(Gell-Mann)的夸克模型,到南部阳一郎(Nambu)和希格斯(Higgs)的自发对称破缺机制,一直到标准模型(Standard Model)的建立 [其中包括,温伯格(Weinberg)、格拉肖(Glashow)、和萨拉姆(Salam)的弱电模型(electroweak model),Gross, Politzer 和 Wilczek的渐进自由的量子色动力学(QCD),以及’t Hooft的可重正化证明]。这是一场真正的人类集体智慧的结晶。我们甚至还可以列出更多的名字,他们同样对量子理论做出了不可磨灭的贡献:泡利(Pauli),德布罗意(de Broglie),玻恩(Born),魏格纳(Wigner),冯·诺伊曼(von Neumann),索末菲(Sommerfeld)。。。</p><p>最新的突破很可能已经正在悄悄地发生着。这也许就是我们下面要谈的<a href="https://www.wanpengtan.com/%25e6%2588%2591%25e4%25bb%25ac%25e7%259a%2584%25e5%25ae%2587%25e5%25ae%2599%25e5%25ad%2598%25e5%259c%25a8%25e5%258f%25a6%25e4%25b8%2580%25e4%25b8%25aa%25e9%2595%259c%25e5%2583%258f%25e4%25b8%2596%25e7%2595%258c%25e5%2590%2597%25ef%25bc%259f/" target="_blank" rel="noreferrer noopener">镜像世界理论(mirror matter theory)</a>。通过对对称性(symmetry)的全新理解,这也可以看作是量子革命的延续。诺特(Noether)用她的定理最先给出了对物理理论中对称性的深刻理解。从上世纪50年代,李政道和杨振宁发现了弱相互作用中宇称对称不守恒(parity violation)开始,到前苏联物理学家(Kobzarev, Okun, Pomeranchuk)在60年代最先提出镜像世界理论思想,到80年代镜像对称思想的复苏,到去年可检验的唯象镜像模型的提出,到今年超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)的建立,镜像世界理论也已经发展了将近70年。更详细的历史和介绍可以参见我的博文:<a href="https://www.wanpengtan.com/%25e6%2588%2591%25e4%25bb%25ac%25e7%259a%2584%25e5%25ae%2587%25e5%25ae%2599%25e5%25ad%2598%25e5%259c%25a8%25e5%258f%25a6%25e4%25b8%2580%25e4%25b8%25aa%25e9%2595%259c%25e5%2583%258f%25e4%25b8%2596%25e7%2595%258c%25e5%2590%2597%25ef%25bc%259f/%25e9%2595%259c%25e5%2583%258f%25e4%25b8%2596%25e7%2595%258c%25e6%258e%25a2%25e7%25a7%25980-%25e5%25bc%2595%25e5%25ad%2590/%25e9%2595%259c%25e5%2583%258f%25e4%25b8%2596%25e7%2595%258c%25e6%258e%25a2%25e7%25a7%25981-%25e9%2595%259c%25e5%2583%258f%25e7%2589%25a9%25e8%25b4%25a8%25e7%2590%2586%25e8%25ae%25ba%25e6%25bc%2594%25e4%25b9%2589/" target="_blank" rel="noreferrer noopener">镜像世界探秘1——镜像物质理论演义</a>。</p><p>同样地,有许多物理学家(特别是包括很多量子理论的贡献者如南部阳一郎)为镜像理论的发展做出了重要贡献。这一理论可以解释暗物质暗能量等许多物理难题,而它最有希望之处是它的可检验性。大多数超越标准模型(BSM)的提议都不具有可实际检验的预言。然而新镜像理论恰恰可以作出现在的实验室条件下就能验证的预言(参见<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#ckm">arXiv: 1906.10262</a>),包括:中子寿命在小尺寸磁阱(magnetic trap)和超强磁场下的测量,中性强子的不可见衰变,等等。也许,我们正在掀开镜像世界的神秘面纱的一角。</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-64146280757813000182020-08-15T02:39:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.917-05:00镜像世界探秘2——恒星演化和元素合成之谜<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>对恒星演化和元素合成之谜的长期思考是直接<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%980-%e5%bc%95%e5%ad%90/%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e6%8e%a2%e7%a7%981-%e9%95%9c%e5%83%8f%e7%89%a9%e8%b4%a8%e7%90%86%e8%ae%ba%e6%bc%94%e4%b9%89/">导致我着手建立新的镜像世界理论(Mirror Matter Theory)</a>的原初动力和依据。</p><p>元素合成是核天体物理的一个主要研究方向。所有元素的起源可以分成两大情形。第一个就是在宇宙诞生之初的轻元素的合成(包括氢、氦、锂等等)。Gamow是提出宇宙大爆炸理论的先驱。他和他的学生Alpher最早做出了大爆炸核合成(Big Bang nucleosynthesis)的计算并于1948年发表在了他们著名的<a href="http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.73.803">αβγ论文</a>。为了凑成希腊语的前3个字母(αβγ),Gamow在论文里把大物理学家Bethe也加为作者,这让作为学生的Alpher很是郁闷。囿于当时局限,他们以为大爆炸可以合成所有的元素。事实上,由于不存在稳定的原子量为5和8的同位素,大爆炸核合成只能形成最轻的一些元素(大约四分之三的氢、四分之一的氦和极少量的其他轻元素)。<a name='more'></a></p><p>元素合成的另一个重要场所是恒星的演化,特别是其他比如碳和更重的元素就起源于此。宇宙大爆炸合成的轻元素作为核燃料由此成为了恒星演化的主要能量来源。前面提到的Bethe对此作出了主要贡献并因此获得了1967年的诺贝尔奖。Bethe最早提出了恒星里的氢燃烧理论,即通过质子﹣质子链反应(pp-chain)和碳氮氧循环(CNO cycle)将每4个质子(也即氢的核)合成为一个氦-4核(4He)即α粒子。这也是恒星包括我们的太阳最持久最主要的能量来源。</p><p>当恒星里大部分氢燃料耗尽后,下一步就是怎么进行氦燃烧。在1939年,Bethe首先认识到了所谓的3α反应的重要性,也就是通过把3个氦-4核(α粒子)融合成一个碳-12核(12C)来克服质量A=5和8的稳定元素的缺失。Salpeter然后利用已知的铍-8(8Be)共振态详细计算了3α的反应率并发表于1952年。紧接着Fred Hoyle爵士首先预言了碳-12一定存在一个共振态从而能千百倍地增加3α的反应速率确保碳和其他重元素真正在恒星里合成。很快加州理工大学Fowler的团队就从实验上发现了这一共振态(后来大家就称呼它为“Hoyle state”)。</p><p>传统理论认为通过类似的氦参与的融合反应可以进一步生成更重的元素(这是本文和新理论的一个重点)。但最多合成到铁附近的元素,因为它们是最稳定的核素。要合成更重的元素不但无法放出能量而且还得加进去能量才行,这导致核燃烧无法进行下去。显然我们需要考虑不同的核反应来合成这些更重的元素。</p><p>在1957年,一篇关于恒星元素合成的经典综述文章由Burbidge夫妇,Fowler和Hoyle共同发表(史称“<a href="http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.29.547">B<sup>2</sup>FH</a>”)。这篇文章最主要的贡献是提出和详细讨论了中子俘获反应来合成绝大部分比铁更重的元素。其中缓慢的反应过程(s-process)需要至少数以千年的时间来合成一半左右的重元素。另外一半则是由以秒来计的快速中子俘获过程(r-process)来生成。当然,在什么样的天体环境或燃烧阶段里来实现这些过程至今还没有定论(这也是本文和新理论的另一个重点)。</p><p>恒星燃烧演化理论到这一步都似乎非常可靠。然而传统理论的某些部分却存在很多可疑之处。一个主要问题是在碳和铁之间的这些中等质量的元素是如何合成的。B<sup>2</sup>FH论文简单地采用了当时大家都常用的一系列α俘获反应来生成α共轭核(α-conjugate nuclei,含有整数倍α的核),即通过(12C+α→16O)生成氧-16(注意:这个反应不存在类似于Hoyle state的共振态,所以反应速率很低),通过(16O+α→20Ne)生成氖-20,等等。Hoyle<a href="http://dx.doi.org/10.1086/190005">在1954发表的经典论文</a>还提出了碳-碳等融合反应(fusion)来生成更重的中等质量核。用这些看起来简单的反应来生成碳和铁之间的元素现在看来正是问题之所在。</p><p>在我们的太阳系和银河系里面,除了氢和氦以外,元素丰度排在第三位的是氧而不是碳(碳不到氧的二分之一)。更神奇的是我们的地球占比最多的元素是氧,将近一半,而碳连氧的千分之一都不到。其他类地行星也都是主要由氧、硅、铁等组成,而碳则少得可以忽略不计。传统的恒星燃烧演化理论似乎很难解释这些元素丰度。</p><p>最近几十年核物理的发展和核反应数据的完善也使得我们有必要重新审视传统理论。比如,在恒星的温度密度条件下α俘获反应(12C+α)的反应速率由于库仑位垒效应其实比质子俘获反应(12C+p)要小十几个数量级。而氢燃烧是非常缓慢的过程,这导致总会有少量的氢(即质子)剩下。因此,在(3α→12C)反应之后应该是(12C+p→13N+γ)反应起主导作用。氮-13(13N)不稳定,它的寿命只有10分钟就会衰变成碳-13(13C)。然后非常快速的(13C+α→16O+n)反应最终生成氧-16。这似乎和直接的(12C+α)反应结果一样,即都最终生成氧-16。但最大的不同就是新的反应链同时会生成了中子(n)。</p><p>事实上,仔细检查恒星演化早期的核反应,我们会发现pp-chain,CNO循环,以至3α反应都与中子无关。这非常可能是恒星演化早期理论之所以可靠的原因,同时这和下面的讨论也预示着新物理必定和中子相关。13C+α→16O+n于是成为了我们要关注的最关键的中子生成反应。传统理论其实也重视13C+α→16O+n反应,把它看作是s-process的主要中子源反应。但是必须假定只有很少的13C(大概百万分之一的恒星质量)参与反应才能保证传统的s-process的有效。而由前面讨论可知,大部分恒星质量都会通过氢燃烧和3α反应变成12C进而成为13C,然后13C+α→16O+n最终把大概1/17的恒星质量转化成中子。显然,这给了我们太多的中子,大概这也是传统理论抛弃这些更合理的反应路径的原因。</p><p>以上分析同时给了我们一个很大的提示,也许新物理可以帮我们把绝大多数的中子转换成别的物质,只留下很少的一部分来进行必要的中子俘获反应。<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">新的镜像物质理论及其所导致的普通和镜像中子之间的振荡(n-n’)</a>恰恰可以提供这一机制。</p><p>在下一篇博文里我们将详细讨论这一新的镜像理论。这里我们只需要知道新的中子振荡(n-n’)模型只有两个参数。一个是n-n’混合强度(mixing strength)大约为10<sup>-5</sup>,它的意义大概相当于说当一个自由普通中子(n)与其他普通粒子碰撞时大约有10<sup>-5</sup>的几率会转化成镜像中子(n’)。另外一个参数就是两种中子的质量本征态的质量差(mass splitting),大约是10<sup>-5</sup>到10<sup>-6</sup> 电子伏(eV)。这个质量差是极其微小的,相比较而言,中子质量大约是 1 GeV (10<sup>9</sup> eV),也就是说是这个质量差的大概10<sup>14</sup>到10<sup>15</sup>倍。</p><p>恰恰是这一特定的质量差导致在氦燃烧环境下会出现(n-n’)共振现象。也就是说每一次中子(n)与其他普通粒子每一次碰撞时会有一半的几率变成镜像中子(n’)。这就是为什么13C+α→16O+n反应产生的中子大部分会消失的原因,因为生成的镜像中子和普通物质除了引力外没有任何其他相互作用。最终由于万有引力,所有镜像中子都会聚集到恒星的核心。它们通过相似的镜像核反应形成镜像物质并通过引力与原本就在中心的普通物质均匀混合形成恒星的简并核(degenerate core)。</p><p>当这一阶段的反应结束,即通过3α反应和13C+α→16O+n反应把大部分恒星的氦变成氧,大约1/17的质量变成镜像物质。这时恒星大体是三层结构:最外层的氢,主要的氧层,和简并核。然后氢和氧的反应开始了第二阶段的演化,一个相似的反应17O+α→20Ne+n主导着这一阶段的中子生成。显然,如果氢燃料足够,我们又可以把大约1/21的恒星质量变成镜像物质。两个过程加起来,我们可以把大约10%(1/17+1/21)的恒星质量变成镜像物质(它们也组成了简并核的一半,另一半是均匀混合的普通物质)。</p><p>我们知道,当恒星的简并核超过Chandrasekhar质量极限(约为1.4倍太阳质量)就会产生不可逆转的塌缩和超新星的爆发,变成中子星或黑洞。如果母星的原初质量不够大的话,它的最终命运就会是演化成一颗白矮星(white dwarf)。上面演示的两阶段过程告诉我们,母星的演化临界质量恰好是大约8倍太阳质量,即低于这一质量命运是白矮星,高于就是更致密的中子星或黑洞。这一结论与天文学的观测惊人地符合。</p><p>事实上,还有更多的惊人符合。为了与观测到的恒星(比如太阳)的重元素丰度符合,人们发现s-process需要两个不同的贡献:一个是主过程(main s-process),一个是弱过程(weak s-process)。前面讨论的13C+α→16O+n主导的第一过程几乎是所有致密天体的母恒星都要经历的,显然更为常见,恰好提供main s-process。而17O+α→20Ne+n主导的第二过程未必经常或完全发生,则可以解释weak s-process。</p><p>解释重元素丰度的另一个过程r-process最有希望在超新星爆发中进行。但历史上一直有两个难题。最大的一个是中子的来源问题,传统超新星爆发理论很难产生这么多的中子。另一个是r-process对应的重元素似乎可以分成两类:一类对应高频事件(和我们观测到的超新星爆发频率相似),另一类对应低频事件。最近几年LIGO和VIRGO研究团队对双星合并产生的引力波的成功探测,特别是对双中子星合并(neutron star merger)多手段测量,让r-process在双中子星合并中的研究成为一个新热点。但其实双中子星合并的发生频率实在太低,特别是在宇宙早期,让这一热点也仅仅是方便申请研究经费的热点而已。</p><p>新的镜像理论的两步过程却恰恰可以解释r-process。最大的中子源难题在新理论里很容易解决:中子振荡(n-n’)会导致在简并核外形成一个丰中子的壳层,超新星爆发时的冲击波会打碎它就可以产生所需要的高密度的中子流。</p><p>这里讨论的是所谓的核塌缩超新星(core-collapse supernovae)或II型超新星,可以大致分为两类。最常见的一类叫II-P型。它的光谱等各种观测到的性质刚好可以对应新理论下在第二过程中的母星质量约为8-15倍太阳质量的超新星爆发。在这种情况下,母星质量不够大,第一过程中形成的核还达不到Chandrasekhar质量极限,于是只能在第二过程中爆发。这也对应r-process的所谓的高频事件。另外一种比较少见的是II-L型超新星(也即r-process的低频事件)。它可以由更重的母星(超过15倍太阳质量)在第一过程中的爆发来解释。有关详细的比较,可以参见本文最后提供的论文链接。</p><p>观测表明中子星的母星质量不超过20倍太阳质量。新理论可以据此给出中子星的质量上限为大约2.2倍太阳质量。更重的星核或更重的母星会导致黑洞的诞生。这与天文观测,包括最新的引力波的探测结果非常符合。在最新发展的超对称镜像理论框架下,我们在以后的博文会进一步讨论有关中子星和黑洞的新结果。</p><p>在早期的宇宙,超大质量恒星更常见并会导致类似II-L型超新星爆发(即在13C+α→16O+n主导的第一过程中核塌缩),这时在恒星的外层氦燃料会剩很多,大量的中子会通过比直接3α反应快得多的如下反应把氦合成大量碳:2α+n→9Be和α+9Be→12C+n。注意这里中子只是起到一种催化剂的作用。这导致在早期的宇宙中碳元素会异常丰富。我们知道观测离我们越遥远的恒星,就会看到越早期的宇宙。更有趣的是,早期的超新星爆发所散出的重元素需要时间和大爆炸核合成产生的氢和氦组成的星际介质相混合,于是越缺少重元素即越贫金属的(metal-poor)恒星越古老。确实,大量的有关碳加强的贫金属恒星(carbon-enhanced metal-poor / CEMP stars)——包括最古老的第一代恒星的观测证实了这一点,也是新理论的一个有力佐证。</p><p>注意到直接3α反应虽然合成了很多碳,但它们都最终被新理论下的两步过程变成了氧和更重的元素。真正保留下来的碳是大质量恒星(超过15倍太阳质量)在第一过程中的II-L型超新星爆发后在恒星外层产生并留下来的。这样的超新星爆发会抛出很多碎片,其中固态或致密的碎片应该来自13C+α→16O+n燃烧后留下的由氧到铁等元素组成的外壳。很可能,太阳系里类地行星都来自于这样的超新星碎片。这样一来,它们主要包含氧和铁却几乎不含有碳的元素成分就很容易得到解释。同时,外层合成的碳却很容易重新和其他星际介质混合起来成为下一代恒星的材料,从而在星系平均上仍然是紧次于氧的第四多的元素。</p><p>在新理论框架下,我们还可以自然地解释大量的恒星(特别是脱离主序星之后)的脉动现象(pulsation)。引力就像是连接在普通物质和镜像物质之间的弹簧,会自然地引起它们之间的周期性的相互震荡运动。这可能就是为什么主序星之后的红巨星会有周期性的光变曲线,成为所谓的变星,其中最有名的造父变星(Cepheid variable)是天文学用来测量距离的标准。甚至超新星爆发后留下的中子星也有被观测到这种震荡效应。显然在这些星体环境中,都有中子生成反应导致的大量镜像物质可以自然地解释这些脉动效应。相反地,主序星(比如我们的太阳)的亮度都非常稳定,因为它们的能量都是由氢燃烧提供而几乎不产生任何中子。尽管如此,人们还是发现太阳也存在一种周期为5分钟的很微弱的振荡效应。如果我们假定太阳中心存在少量的镜像物质,那么就可以解释这一现象。</p><p>最先进 的恒星演化开源程序可能就是<a href="http://mesa.sourceforge.net/">MESA</a>(http://mesa.sourceforge.net/)。希望有物理基础的年轻编程高手可以在此程序中加入中子振荡(n-n’)导致的新物理,相信很多意想不到的新结果正等着他们来发现。</p><p>计算机技术的进步让更困难的超新星爆发模拟程序迅速从一维,到二维,一直发展到现在最复杂的三维模拟。但是即使我们小心加入了所有已知的物理,宇宙中随处可见的超新星爆发却并不容易在计算机上模拟出来,换句话说,导致超新星爆发的机制仍然是一个谜。或许,当我们在这些大型模拟程序中加入新的镜像理论机制,这些宇宙中最美丽的焰火就会在我们的计算中从容绽放。</p><p>本文基于如下论文:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#sn">Neutron-mirror neutron oscillations in stars</a>”</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0tag:blogger.com,1999:blog-2808311497711708600.post-7392268420889562322020-07-31T23:15:00.000-04:002022-01-05T00:07:54.934-05:00镜像世界探秘1——镜像物质理论演义<div class="boldgrid-section"><div class="container"><div class="row"><div class="col-md-12 col-xs-12 col-sm-12"><p>本文基于如下论文的导论部分:“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#nosc">Neutron oscillations for solving neutron lifetime and dark matter puzzles</a>” 和“<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/#ckm">Laboratory tests of the ordinary-mirror particle oscillations and the extended CKM matrix</a>”;以及我的所有相关工作的主要思想(参见博文“<a href="https://www.wanpengtan.com/%e6%88%91%e4%bb%ac%e7%9a%84%e5%ae%87%e5%ae%99%e5%ad%98%e5%9c%a8%e5%8f%a6%e4%b8%80%e4%b8%aa%e9%95%9c%e5%83%8f%e4%b8%96%e7%95%8c%e5%90%97%ef%bc%9f/">我们的宇宙存在另一个镜像世界吗?</a>”)。</p><p class="">镜像物质理论(Mirror Matter Theory)的发展历史将从我个人的视角和以我个人的理解来展现给大家。这里描述的肯定不是一个完全的历史。但关于镜像对称(Mirror Symmetry)的核心思想将在此文和后续文章中成为主要着墨之处。注意这个镜像世界理论和其他听起来类似的猜想是完全不同的,比如,量子力学的多世界解释(many-worlds interpretation),弦论的多重宇宙(multiverse),或其他的平行宇宙概念。</p><p><a name='more'></a><br />对称性是物理学特别是现代物理的主要研究对象。在上世纪五十年代之前,物理学基础理论总被认为是符合对称之美的。然而1956年李政道和杨振宁发现了弱相互作用中至少宇称(parity)对称性被破坏之后,物理学家们对这一个对称守恒的信仰才产生动摇。宇称是表示一种空间反演(即对空间坐标从x,y,z到-x,-y,-z的变换)的对称性,它的破坏直接导致左右对称性的破坏。吴健雄得知李杨的宇称不守恒理论后,很快就从钴-60的β衰变中做出了实验验证,李杨为此获得诺奖,而吴健雄却遗憾地未能获得她该得的荣誉。</p><p>宇称不守恒的意义是极其深刻的,现代物理对这一现象的理解还远远不够。下面要介绍的镜像世界模型就是对宇称不守恒的一个自然的拓展。李杨在他们的经典的宇称不守恒论文里,首先猜测我们的世界可能存在不同的左手和右手质子来推广宇称对称性。然而事实证明,强相互作用和电磁作用并不违反宇称守恒,这样的质子并不存在。</p><p>沉寂了十年后,三个前苏联物理学家(Kobzarev, Okun, Pomeranchuk)首先在1966年提出了镜像粒子(mirror particles)的可能存在。他们的灵感来自于当时刚刚发现的CP对称破坏的发现,即电荷共轭(正反粒子变换)+宇称反演在弱相互作用中也是不守恒的。他们提出镜像粒子和我们世界里的普通粒子(ordinary particles)几乎一样,但是它们参与它们自己的规范相互作用(几乎就是我们世界的规范相互作用的复制)。除了共享万有引力外,他们猜测,镜像粒子可能通过弱相互作用耦合,但一定非常微弱。他们的想法是很超前的,要知道,粒子物理的标准模型(Standard Model)那时候还没有真正建立起来。可是他们不知道他们想象的镜像粒子可以解决Zwicky等人早在三十年代就提出的暗物质之谜。</p><p>接下来就是更长时间的沉寂,除了这几个前苏联物理学家几乎没人关注这一镜像对称思想,其中多年后Okun还在俄罗斯物理期刊的英译本(Physics-Uspekhi,2007年)发表了一篇历史注记。在八十年代初,另外两个前苏联物理学家Blinnikov和Khlopov从天文和宇宙学的角度作定性讨论又重提镜像粒子的可能存在。紧接着,在1984年超弦理论取得了第一次革命性进展,包含着镜像对称思想的E8×E8超弦被证明是一致无反常的(anomaly-free)。美国和其他国家物理学家才终于开始参与进来。</p><p>先是1985年著名的芝加哥大学的宇宙学家Kolb和Seckel,Turner在《自然》(Nature)上发表了一篇重要文章“<a href="https://doi.org/10.1038/314415a0">The shadow world of superstring theories</a>”。他们详细而令人信服地阐释了镜像对称思想在宇宙学图景下的优美实现,特别是与Peebles(2019诺奖获得者)的冷暗物质模型和大爆炸元素合成理论的相容性。很显然由于美苏冷战的原因他们完全不知道上面提到的苏联人的工作,所以完全没有引用他们的早期文章。Kolb和Turner后来还合作撰写了宇宙学的经典教科书《The Early Universe》,他们的这篇文章也是一样的经典。</p><p>从这以后,尽管镜像世界理论仍未进入主流研究,但也开始逐渐有了一批坚定的支持者,这其中的代表人物有,Hodges,Mohapatra,Foot,和 Berezhiani。哈佛天体物理中心的年轻的Hodges于1993年发表了似乎是他的最后一篇物理论文“<a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevD.47.456">Mirror baryons as the dark matter</a>”。感觉像是他做完博士后以后找不到固定学术位置从而离开了学术圈。马里兰大学的印裔教授Mohapatra从九十年代以来就是镜像世界理论的积极推动者并发表了大量相关文章。</p><p>澳大利亚学者Foot可能是这一时期镜像世界理论的最狂热的支持者。他可能发表了有关镜像理论的最多的文章。他还在2002年出版了一本畅销书《<a href="https://www.amazon.com/Shadowlands-Quest-Mirror-Matter-Universe/dp/158112645X">Shadowlands: Quest for Mirror Matter in the Universe</a>》(有空我很想读一下)。从九十年代开始,各种镜像物质模型大量涌现并用来解释暗物质,中微子振荡等等。普通和镜像世界的完美对称会导致两个世界的完全脱节而产生一系列理论和观测上的困难。一般的操作就是通过在普通和镜像粒子之间引入某种微弱的相互作用来导致微小的对称破缺。Foot本人最支持的镜像模型是通过两个世界的电磁规范相互作用的耦合(U(1) kinetic mixing)来产生破缺。他的大量文章都是基于这一模型的。在我最近收到的审稿报告中,一个匿名审稿人宣称Foot已经不再深信镜像世界理论了,我希望这并不是真的。</p><p>另一个坚定的镜像世界理论的多产学者就是意大利物理学家Berezhiani。他也发表了大量的有关镜像理论的文章。而他最喜欢的模型是通过六夸克耦合(D-9 operator)来引入镜像对称破缺。尽管似乎是他多次强烈阻挠我的相关论文的发表(是我从审稿报告中的推测,如果是我搞错了,请原谅),我还是愿意感谢他的工作对我的启发。特别是如下这两篇文章对我的早期工作影响很大:关于中子振荡的“<a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.081801">Neutron–Mirror-Neutron Oscillations: How Fast Might They Be?</a>”;和关于超高能宇宙射线的“<a href="https://doi.org/10.1016/j.physletb.2006.03.008">Fast neutron-mirror neutron oscillation and ultra high energy cosmic rays</a>”。此外,清华大学的何红建教授的研究团队也对镜像世界理论有过非常深入细致的研究:“<a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevD.85.096003">Spontaneous mirror parity violation, common origin of matter and dark matter, and the LHC signatures</a>”。</p><p>所有过去这些镜像模型都是通过额外或人为地引入两个世界间的微弱的相互作用来达到破缺的目的。而事实上,自发对称破缺机制(spontaneous symmetry breaking)完全可以做到这些。所有那些额外的相互作用都只是画蛇添足。自发对称破缺机制最早应用于超导理论,后来又应用于标准模型中的Higgs机制来生成基本粒子的质量。它是物理学家广泛使用的一种相变机制,在以后的博文中我们再详细讨论这一机制在新镜像模型中的应用。</p><p>还有一些类似镜像世界理论的思想也在小范围内传播。比如Chacko等人提出的孪生Higgs(twin-Higgs)模型其实只是一个不完全的镜像世界理论。还有基于超弦理论的膜世界(braneworld)模型,既我们已知的世界只是一个镶嵌在更高维度的体(bulk)里的膜(brane),从而预言可能存在更多这样不可见的膜世界。这样的平行世界理论似乎是镜像世界理论的一个自然推广,但在我看来,其实很可能就像超弦理论一样只是在缺乏物理原理下的一个新物理的数学工具而已(就像黎曼几何与广义相对论的关系一样)。</p><p>在2018年底以前,我对镜像世界理论是一无所知的。我那时还一直困惑于核天体物理里许多谜题,比如恒星演化,元素合成,中子星,X射线爆,等等。我找不到这些问题的解决办法(在下一篇博文我会详细讨论)。但我的直觉告诉我问题一定出在中子和与中子有关的反应里。然后当时有关中子寿命反常的理论和实验开始引起了我的极大关注。特别是Fornal和Grinstein用暗物质衰变模型来解释中子寿命反常的文章(“<a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.191801">Dark Matter Interpretation of the Neutron Decay Anomaly</a>”)引起了我的注意和思考,并最终知道了前人关于镜像世界理论的工作。</p><p>我几乎立即就被镜像世界理论的优美所震撼。同时我敏锐的感觉到镜像对称思想加上自发对称破缺机制就是解决所有问题的关键。这将导致普通和镜像中子之间的振荡。在数学形式上,中子振荡(n-n’ oscillations)与中微子振荡几乎是一样的,只不过将代对称(family/generation symmetry)换成镜像对称。我以为如此优美的形式肯定有人已经做过了,特别是中微子振荡的发现才刚刚在几年前被颁发了诺奖。可是查找过往文献我却吃惊地发现几乎所有的镜像模型都画蛇添足地引入了额外的相互作用。于是我便重新仔细研究了中微子振荡理论并着手建立我自己的镜像模型。在2019年的春节期间,我终于完成了最开始的两篇奠基性文章[1,2]。一篇是关于恒星演化和元素合成,另一篇是关于中子寿命反常和暗物质。</p><p>我以为这些文章一定会马上引起强烈反响,那么多超高智商的物理学家一定会发扬光大这个模型并解决各种其他迷题,我可以完全休息了。事实上这可能是我过于自我陶醉于我自认为优美的新理论所产生的错觉。除了我的同学朋友礼貌性地邀请我作了有关我新理论的报告外,基本上没有多大的反应。唯一值得一提的反响是《新科学家(New Scientist)》杂志的科普作家Brooks关注了我的工作并采访了我。在他发表的封面文章“<a href="https://www.newscientist.com/article/mg24232330-200-weve-seen-signs-of-a-mirror-image-universe-that-is-touching-our-own/">We’ve seen signs of a mirror-image universe that is touching our own</a>”中我的工作显然没有被真正理解,有关更正可以参见我的博文“<a href="https://www.wanpengtan.com/2019/10/27/corrections-to-recent-media-coverage-on-the-mirror-matter-theory/">Corrections to recent media coverage on the mirror matter theory</a>”。于是在接下来的几个月里我静下心来自己将新模型应用到其他问题,去解决正反物质不平衡之谜[3],超高能宇宙射线之谜[4],和CKM矩阵的幺正性问题[5]。</p><p>特别是在六月份完成的文章[5]中,我详细讨论了如何在实验室里验证新模型。宇宙学和天文学的观测支持并不是对模型的最好的检验。因为我们的宇宙只有一个(至少我们只知道这一个),而且我们还无法人为地改变宇宙中天体的条件。但实验室就不一样了,我们可以改变实验条件来检测新模型在不同情况下的预言。幸运的是,当今世界的实验水平和能力确实可以对新模型作出精确的检验。(<strong><span style="color: #ff0000;">欢迎有能力或有资金做实验检验的与我联系</span></strong>)</p><p>下一个突破是在我对暗能量的思考中灵光一现完成的。在当年八月底我写好了文章[6],通过对标准模型的镜像拓展来解决暗能量、中微子等等难题。一个核心的思想是对镜像对称的重新理解,指出它其实是连接普通和镜像世界的一种手征对称(chiral symmetry),对两个世界量子场的变换类似于Dirac矩阵的γ<sup>5</sup>算符。然后利用Nambu-Jona-Lasinio的4-费米子作用和文章[3]提出的分级夸克凝聚(staged quark condensation)来具体实现分级的自发对称破缺的类Higgs机制,从而解释夸克和轻子的质量等级(mass hierarchy)等问题。另一个关键想法是对超对称(Supersymmetry / SUSY)的重新理解。 这一想法是基于南部阳一郎(Nambu,2008诺奖得主)的准超对称(quasi-SUSY)的思想。有关镜像和超对称的新理解可参见我的博文“<a href="https://www.wanpengtan.com/2019/09/03/supersymmetry-and-mirror-symmetry/">Supersymmetry and Mirror Symmetry</a>”,在接下来的系列中文博文中也会详细讨论。</p><p>这篇文章[6]显然产生了一定影响。人们开始对此文章表达了兴趣。特别是加拿大Laval大学的理论物理组还立即邀请我作了一个报告。前面提到的UCSD大学的Grinstein教授同时也是Phys. Lett. B期刊的主编,似乎也可能受文章[6]影响,对我第一篇文章的发表起了关键性的推动作用。事实上,在文章[6]上传到预印本库arXiv.org后不到两个星期的时间里,我的两篇镜像理论文章(也是迄今唯一的两篇)就被接受发表了。Grinstein的博士后Fornal不久后(大约11月下旬)来到我所在的圣母大学面试教职,我还和他共进了午餐并保持了短暂但愉快的后续交流。很可惜,Fornal没有拿到圣母大学的聘约。然而不知道什么原因,Grinstein教授在今年(2020)一月初对我的工作的态度突然来了180度大转弯,强行终止了对我的另一篇论文正在进行的已经多轮的评审并且没给出任何理由就直接拒稿了。</p><p>我和Grinstein教授有过几个月很好的交流,失去他的支持当然令我很难过。但我那一时期其实更关心的是怎么推动对新理论的实验检验。实际上早在刚写完最早的两篇奠基性文章后,我就在积极联系做中子寿命测量和K0 介子不可见衰变的实验物理学家。很多发送的电邮都石沉大海。只有两个人给了我回应。一个是欧洲核子中心(CERN)NA64实验组的负责人Gninenko,他们本来在CERN的SPS停机前准备测量K0 介子的不可见衰变,但由于机器故障没做成。等SPS完成升级恢复运行后,他们肯定会继续这一实验。</p><p>另一个就是法国ILL实验室的Geltenbort。他是做超冷中子(Ultra-Cold Neutron/ UCN)实验的一个先驱者也是一个非常热心会讲故事的有趣人。我们一直保持很频繁的电邮联系,我对用他们设计的可以约束超冷中子的名为 “HOPE” 的磁阱(magnetic trap)来重测中子寿命并验证我的模型极其感兴趣。然而他在19年八月底就正式退休了。应他的邀请,我今年一月访问了ILL实验室并做了报告。最主要的是和HOPE磁阱的负责人谈谈重启这一实验的可能。不幸的是,这一负责人对中微子振荡都持怀疑态度。我在法国花了大约整整两个下午可能才大概说服他(我现在也不确定是不是真说服了他)中微子振荡的诺奖没有发错。我知道,我的重启HOPE磁阱的希望大概要落空了,但至少我在Geltenbort盛情款待的家宴上品尝到的各种红酒和cheese让我不虚此行。</p><p>幸运的是通过Geltenbort我联系上了UCNτ合作组的一个台湾裔负责人刘贞佑教授(Chen-Yu Liu)。UCNτ大概是用超冷中子测量中子寿命的最大的团队。他们刚刚在《科学》(Science)上发表了用“瓶”(bottle)方法做出的最精确的测量结果,也是我的新模型中的中子振荡混合参数的一个重要依据。如果他们能根据我的理论再做一个新的小磁阱,那将会是对新模型的一个很好的检验。刘贞佑教授开始显然很感兴趣,还邀请我于19年11月初去她所在的印第安纳大学做了报告。但更深入的合作并不那么容易。</p><p>至少我得感谢刘贞佑教授帮我联系上了美国国家标准局(NIST)的Mumm研究员。Mumm对我的模型非常感兴趣,并拉上了他的同事Coakley和北卡州立大学的Huffman教授和我从去年底开始进行了多次讨论。他们做的NIST磁阱与众不同,是我最感兴趣的,也是我认为能最好验证新模型的设备。事实上,在两三年前他们的一个学生的博士论文里用这个磁阱已经非常精确地测量到了新模型所预言的反常,但实验结束后超纯氦-4的偶然丢失,导致结论无法完全确定而错过这一可能的重大发现。热心的Coakley利用圣诞和新年假期做了大量模拟计算工作,证实新模型确实可以定量地解释NIST磁阱过去所观测到的中子寿命反常。然而由于种种资金和人员的问题和困难,重启NIST磁阱实验恐怕还得好事多磨一阵。</p><p>下一个理论上的进展是基于文章[6]而于今年二月提出的完整的超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)和时空维度的演化(参见文章[7,8])。基于一套新原理而构造出来的超对称镜像模型可以自然的解释时间箭头的起源和宇宙大爆炸的动力学。紧接着一个月后完成的文章[9]进一步阐述了引力和量子理论的关系——即引力/时空作为维度暴涨后量子平均场效应导致的平滑几何。同时文章[9]也利用了二维超对称镜像模型和共形场论优美地描述了黑洞视界的内部——一个真正的二维世界。</p><p>文章[6]还帮我于今年二月底和何红建教授建立了联系。他给了我很多帮忙和建议,特别是帮我与中国的实验高能物理学界,主要是北京谱仪(BESIII)团队建立了联系。在三月份为BESIII主要人员作的报告,显然引起了他们的极大兴趣。文章[10]的完成就是为这方面的实验检验做出更好的预言和指引。BESIII在现有条件下对短寿命的K0介子的不可见衰变刚好能达到新模型所预言的10<sup>-6</sup>的灵敏度。下一代的中国高能物理大设备STCF(Super Tau Charm Facility)肯定会对K0和Λ0的不可见衰变做出更精确的测量,但它的建成并投入使用恐怕还得需要至少十年。</p><p>文章[7,9]对很多物理学家来说显得太过离奇,即使相对开明的预印本库arXiv.org也拒绝了这两篇文章。可正是如此的探索才使得如今新镜像世界理论的大体框架基本完成,当然还有许多细节特别是数学的严格还有待完善。新理论还可以应用到很多其他问题的研究,各种最先进的有关早期宇宙,天体演化,超新星爆发的大型模拟计算也是时候该加入新物理了。显然,一个人无法完成这所有的一切。特别是文章[5,10]所讨论的实验室检验就需要有更多人力和物力的团队来推动了。相信在不久的将来,随着更多有志于此的年轻人加入,我们终将会从理论和实验上完全揭开镜像世界的神秘面纱。</p><p>更多讨论参见我的博客:<a href="https://www.wanpengtan.com">https://www.wanpengtan.com</a><br />下载学术论文的最新版本:<a href="https://www.wanpengtan.com/smm/">https://www.wanpengtan.com/smm/</a></p><p>[1] <a href="https://arxiv.org/abs/1902.01837">arXiv: 1902.01837</a> , 或者 <a href="https://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.134921">Phys. Lett. B 797, 134921 (2019)</a> ——中子寿命反常,暗物质<br />[2] <a href="https://arxiv.org/abs/1902.03685">arXiv: 1902.03685</a> ——恒星演化和元素合成<br />[3] <a href="https://arxiv.org/abs/1904.03835">arXiv: 1904.03835</a> , 或者 <a href="https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.100.063537">Phys. Rev. D 100, 063537 (2019)</a> ——正反物质不平衡之谜<br />[4] <a href="https://arxiv.org/abs/1903.07474">arXiv: 1903.07474</a> ——超高能宇宙射线<br />[5] <a href="https://arxiv.org/abs/1906.10262">arXiv: 1906.10262</a> ——实验室检验<br />[6] <a href="https://arxiv.org/abs/1908.11838">arXiv: 1908.11838</a> ——暗能量,中微子<br />[7] <a href="https://doi.org/10.31219/osf.io/8qawc">https://doi.org/10.31219/osf.io/8qawc</a> ——超对称镜像模型<br />[8] <a href="https://arxiv.org/abs/2003.04687">arXiv: 2003.04687</a> ——超对称镜像模型的通俗讨论<br />[9] <a href="https://doi.org/10.31219/osf.io/2jywx">https://doi.org/10.31219/osf.io/2jywx</a> ——黑洞,引力<br />[10] <a href="https://arxiv.org/abs/2006.10746">arXiv: 2006.10746</a> ——K0介子、Λ0和Ξ0重子的不可见衰变</p></div></div></div></div>Wanpeng Tanhttp://www.blogger.com/profile/16649301093536559891noreply@blogger.com0