关于正反物质不对称的困惑。。。

戴榕菁

英国著名物理学家保罗狄拉克在1928年宣告了反物质的存在[1]，之后不久比利时宇宙学家乔治·勒玛特（Georges Lemaître）又提出了现今被称为大爆炸（Big Bang）的理论设想[2]。从那以后，物理学界的一个至今仍争论不休的悬而未决的问题是“为什么大爆炸产生的正反物质没有相互销毁而留下一个我们今天生存于其中的正物质世界？”产生这个问题的基本原因是：1）根据狄拉克的理论，正反物质相遇后会相互毁灭并产生某种形式的能量（如光子）；2）在大爆炸中物质与反物质应该是成对地产生，因此应该两两相互在碰撞中相互毁灭才对。

在给出了各种高深复杂的理论解释之后，物理学家们认为解决这个问题的最终答案在于需要找出一个新的物理学理论来对之进行解释[3]。

物理学家们对于宇宙在经历了最初的大爆炸之后所遗留下来的可以让他们产生困惑的正物质世界的困惑让作为身处物理学界之外的观众的我产生了一个困惑。我的困惑来自下面这张示意图：

上图中的漂亮图画取自NASA的宇宙膨胀编年史示意图[4]，那四条构成尖角的黑线和红线是我加进去的。我用那四条黑线和红线表示的光速的限制所构成的时间线。当然，这里一个显然的前提是取自NASA的图所表示的是整个宇宙的膨胀历史中的一部分，而我的那四条线则对应于宇宙中的某个局部区域。其中那两条黑线表示宇宙中的某一点处的由光速决定的某部分宇宙块，而那两条红线则表示黑线所代表的由尖点膨胀出的宇宙块的最边缘的地区的可观测宇宙的边界。与NASA的图画不同的是，我的那几根线是随手画出的示意线，它们之间的角度和距离没有任何实际的比例意义。

我用上面这个示意图说明的是，在大爆炸初期发生的宇宙的超光速的迅速膨胀过程中，热力学的涨落有可能导致某些区块全是正物质，而另一些区块全是反物质。一旦其中某一块正物质区块由于宇宙的高超光速膨胀而落在了与最邻近的具有同量级的质量的反物质区块的由光速限制所决定的可观测范围之外的，那么这块正物质区域就永远也不可能再有与任何一个具有和它同等量级的反物质区块发生碰撞的机会了。我们并不需要用数学理论推导或数值模拟来计算这种宇宙块产生的机会，因为我们所生活的这块宇宙能够由正物质组成（或至少是由占绝大多数的正物质组成）这一事实本身就表明这一正物质宇宙块实实在在地产生了，也就是说我们的这块宇宙当初在大爆炸后的迅速膨胀中的周边可观测宇宙内不存在足以抵消它的同等量级的反物质宇宙块，因此就有了我们今天这个人类世界，就有了我现在写的这篇文章。

这不是说我们的这块正物质宇宙的周围从未有过反物质，而是说它周围的反物质要么是与正物质抵消掉了，要么就是由于宇宙的超光速迅速膨胀而不再存在于它的边界点的可观测宇宙内了。当然，这并不完全排斥我们这个正物质的宇宙内部的某个区域仍然存在着某小块区域或某些小块区域具有反物质星球甚至星团的可能性；但是，即便我们的正物质宇宙中仍然有某些小块反物质星球或星团，它们的质量（体积）与我们所生存于其中的正物质宇宙相比起来一定是微不足道的，否则我们的这个正物质宇宙也就不可能存在至今了。

这里要特别注意一点：根据今天的物理学，今天我们的正物质世界里的物质仅是大爆炸产生的正物质10亿分之一[5]（CERN：a tiny portion of matter – about one particle per billion – managed to survive）。也就是说，在大爆炸后的不到一秒钟的时间里产生的一大堆的正反物质彼此之间相互碰撞消除之后，每十亿个粒子中有一个偶然留了下来。

如果在非常大（按照大爆炸后的膨胀尺度来算）的一个空间中有兆兆亿的正反粒子彼此碰撞抵消，结果碰巧在其中的某一块地方有10亿分之一的正物质留了下来，而与其相应的反物质与它们之间的间隔大到它们的随机热运动速度无法克服与距离成正比的宇宙膨胀速度。虽然在经历的最初的被称为inflation的高超光速的迅猛膨胀之后，宇宙膨胀的速度会下降，但是只要那些多余的正物质区域和反物质区域之间的间隔足够大，那么因为粒子物质的热运动本身的速度较低（在每秒数公里的量级，远低于光速），它们仍可能无法克服宇宙膨胀的速度，至少来说，不会出现大规模的正反物质由于自身的热运动而彼此抵消的机会。

上述讨论中的基本条件是大爆炸后产生的正反物质在空间的分布及各自的热运动不是完美的，因此，有10亿分之一的正反物质在所有其它的正反物质彼此抵消后发现它们相互之间的距离远到无法完全通过自身的热运动克服仍在继续进行中的宇宙膨胀。这与热力学运动的基本的涨落概念是完全一致的。

另外，我这里所说的我们所生存的正物质宇宙并不一定就只是我们地球目前所处的所谓的可观测宇宙，它既可以是我们的这个可观测宇宙，也可以远大于我们的这个可观测宇宙。

现在问题来了。在我看来我上面所提供的这个形而上学的分析讨论是对于为什么我们能生活在一个由正物质组成的宇宙中的非常合理而且逻辑上严格（即不存在逻辑漏洞）明确且直接了当的解释，这就让我产生了一个巨大的困惑：物理学家们自上世纪30年代至今对于他们所谓的正反物质的不对称问题为什么放着这么一个简单直接的答案不用，而非要去寻找无比深奥的答案以至于到了非要寻找新的理论来解决这个问题的地步呢？

其实，从下面的参考资料【3】所提供的视频链接中可以看到，物理学家们也想到了热力学过程与当初宇宙的迅速膨胀的组合答案这一选项。我最初还以为他们的相应的组合答案与我想的是一回事儿呢（我在看那个视频之前很早就有这样的思路。我好像还在中文网上某个地方谈到过这个思路），但后来再稍微一调研，发现完全不是那么回事儿。他们的类似的解释叫做Sakharov Criteria，是由前苏联的物理学家诺贝尔和平奖得出萨哈罗夫在1967年提出的。其中涉及到热力学的部分不但无比复杂（与我这里的讨论相比）而且最终也不能给出正反物质不对称的合理而完整明确的解释。

我反复审查了我的上述分析逻辑，实在找不出什么漏洞来。这就让我困惑了。。。物理学难道和形而上学真的早已经不是一家人了？亚里士多德早已被彻底赶出了理学院？。。。若果真如此，科学危矣。。。。。。

 

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[1] https://theconversation.com/cern-discovery-sheds-light-on-the-great-mystery-of-why-the-universe-has-less-antimatter-than-matter-147226

[2] https://www.amnh.org/learn-teach/curriculum-collections/cosmic-horizons-book/georges-lemaitre-big-bang#:~:text=According%20to%20the%20Big%20Bang,of%20the%20Big%20Bang%20theory.

[3] https://www.youtube.com/watch?v=-2ngmVwXteE

[4] By NASA/WMAP Science Team - Original version: NASA; modified by Cherkash, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11885244

[5] https://home.cern/science/physics/matter-antimatter-asymmetry-problem

[慕容青草]

我自己在英文评论区做的补充：
All other possible causes that have been studied so far by physicists (e.g. the CP violation, electric dipole moment, etc), if they were real in the baryogenesis, could help to increase the chances for the clusters to occur and enlarge the sizes of the clusters once they are formed. However, the fact that physicists cannot confirm the roles of those possible causes through nowadays experiments tells us that those causes might not have played a dominating role during the baryogenesis, even if they did exist, while the role of the thermodynamic fluctuation as discussed above would be statistically meaningful. Besides, from the above discussion we can see that the departure from thermal equilibrium due to the out-of-equilibrium decay as depicted in the Sakharov Criteria, i.e. the lower rate of decay of certain heavy particles, if did contribute to the residual matter for the baryogenesis, could only account for one minor cause among many possible causes that could contribute to the formation of the clusters of the same kind.

https://www.academia.edu/s/840b74694a?source=link

[慕容青草]

欢迎前来就此议题参加讨论：

https://www.academia.edu/s/840b74694a?source=link

[慕容青草]

CERN 关于反物质的说法：
Antimatter particles share the same mass as their matter counterparts, but qualities such as electric charge are opposite. The positively charged positron, for example, is the antiparticle to the negatively charged electron. Matter and antimatter particles are always produced as a pair and, if they come in contact, annihilate one another, leaving behind pure energy. During the first fractions of a second of the Big Bang, the hot and dense universe was buzzing with particle-antiparticle pairs popping in and out of existence. If matter and antimatter are created and destroyed together, it seems the universe should contain nothing but leftover energy.

Nevertheless, a tiny portion of matter – about one particle per billion – managed to survive. This is what we see today. In the past few decades, particle-physics experiments have shown that the laws of nature do not apply equally to matter and antimatter. Physicists are keen to discover the reasons why. Researchers have observed spontaneous transformations between particles and their antiparticles, occurring millions of times per second before they decay. Some unknown entity intervening in this process in the early universe could have caused these "oscillating" particles to decay as matter more often than they decayed as antimatter.