我们的宇宙存在另一个镜像世界吗?

瑕不掩瑜是镜像世界,亦真亦幻非镜花水月。

现代物理的两大理论支柱——相对论和量子论出乎意料地非常成功。其中,爱因斯坦的广义相对论精确地描述了我们的时空几何以及引力相互作用。作为已知的最完善的量子论的表述——粒子物理的标准模型对基本粒子及其规范相互作用(包括电磁,弱,和强相互作用)的刻画已达到了惊人的超高精度。几乎所有现代高科技都离不开这两大理论的成功。然而,我们的宇宙和世界仍然存在太多的未知,物理学家希望统一这两大理论的愿望也似乎遥遥无期。

我们对宇宙最主要的组成部分(超过95%)——暗物质和暗能量几乎是一无所知的。即使是不到5%的普通物质(主要形成可见的恒星和星系)也充满了不解之谜。事实上我们并不理解为什么我们的宇宙竟然存在这么多的恒星和星系。因为我们还不理解正反物质的对称破缺之谜。已知的物理加上早期宇宙的正反物质湮灭会导致几乎没有多少正物质能存留下来形成现在的恒星和星系。还有更多的谜题等待我们去解决。比如,时间的箭头从哪里来?大质量的恒星是如何演化的以及比碳更重的元素是如何合成的?黑洞的内部到底是什么样的?我们为什么能观测到本来应该被宇宙微波背景辐射阻挡掉的超高能宇宙射线?为什么自由飞行的中子寿命似乎比束缚在陷阱里的超冷中子要长?为什么中微子质量这么小又或为什么它们竟然有质量?

答案就在我们宇宙的镜像世界。自从李政道和杨振宁提出为他们赢得诺奖的弱相互作用中的宇称不守恒之后,镜像对称性作为一种非主流思想就开始慢慢生根发芽。直到今天,这一思想被全面发展成一个全新的理论框架从而能一致定量地解释以上提到的各种宇宙和基础物理之谜以及解决更多其他问题。这一框架告诉我们,不但宇宙是动态演化的,就连物理规律和时空本身及其维度都是动态演化的。换句话说,大多数人们所期望的一种大一统理论(theory of everything)是不存在的。当时空在早期宇宙以暴涨的方式一个维度接一个维度(先是时间然后空间)生长出来,与相应时空匹配的不同的物理图景(对应不同的基本粒子集和相互作用)也会自发出现并且由自洽但不同的理论模型所支配。构造这些超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)将基于一套新的物理原理,包括费曼的路径积分表述的变分原理,关于超对称(supersymmetry)和镜像对称(mirror symmetry)的全新理解,以及对于动态演化的相变机制——自发对称破缺的应用。

在新理论框架下,引力来自于时空维度暴涨后量子涨落被平滑导致的平均场效应,即暴涨后平滑的时空几何。时间箭头始于镜像对称的第一个表征——时间反演(time reversal)对称的自发破缺,也就是时间子(timeron)的一维模型的演化。这也是热大爆炸(hot big bang)的开始。在二维(一维时间加一维空间)模型下,第一代费米子(自旋=1/2)诞生,它们也是所谓的马约拉那(Majorana)粒子(即自己是自己的反粒子)。这一模型也完美地诠释了黑洞的内部——本质上是真正的二维物体。镜像对称的下一个表征——手征对称(chiral symmetry)的自发破缺导致接下来的二维到四维的空间暴涨并生成我们今天所见的均匀平坦的宇宙。然后,通过生成两套(普通和镜像)基本粒子体系,镜像对称表现为物质镜像对称并将标准模型进行镜像拓展来描述今天四维宇宙的普通和镜像物质世界。

镜像基本粒子几乎是普通基本粒子(例如,夸克和轻子)的完美拷贝。它们之间是相似的但又与普通相互作用完全分开的镜像电磁,镜像弱,和镜像强相互作用。然而,两套粒子共享同一个引力相互作用,也即分享同一个时空舞台。镜像对称的自发破缺尺度是非常小的,两套粒子的质量差或各自真空的能量差大概只有一百万亿分之一左右的相对差距。但是它的影响却是极其重要而深远的。正是这个微小的镜像对称破缺导致微小的中微子质量,也同时定义了暗能量的能标。更有趣的是镜像对称破缺还引起中性粒子在两个世界的振荡转换。特别是中子-镜像中子(n-n’),K0介子-镜像K0介子(K0-K0’)的振荡成为了普通和镜像两个世界的最重要的信使。正是这两种振荡精确地预言了暗物质的起源和揭开了正反物质不平衡之谜。原来在早期宇宙先是K0介子振荡导致足够的正物质过剩,然后中子振荡把大部分这些物质转化成镜像物质(即所谓的暗物质),剩下的就形成了我们今天观测到的恒星和星系。中子振荡(n-n’)还揭示了中子寿命之谜,也即束缚在陷阱里的超冷中子为什么会神秘消失。更多的难解之谜,比如,超高能宇宙射线,恒星演化和元素合成也可以用中子振荡(n-n’)来更好地解释。

最重要的是,这一新的镜像物质理论提供了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,包括中子寿命反常与磁约束陷阱尺寸的关系,超强磁场下的中子(n-n’)共振振荡,K0介子、Λ0和Ξ0重子的不可见衰变的异常显著的分支比,晕核(比如11Be)的反常衰变,等等。可以预见在不久的将来,这一系列实验将对新理论做出最严格的检验。

更多讨论参见我的英文博客:https://sites.nd.edu/wtan
下载学术论文的最新版本:http://sites.nd.edu/wtan/smm/

更详细的主要思想讨论参见我的通俗文章[8]。唯象模型及应用参见[1-6]。超对称镜像模型(Supersymmetric Mirror Models)参见[6-9]。实验检验参见[5、10]。(欢迎有能力或有资金做实验检验的与我联系

[1] arXiv: 1902.01837 , 或者 Phys. Lett. B 797, 134921 (2019) ——中子寿命反常,暗物质
[2] arXiv: 1902.03685 ——恒星演化和元素合成
[3] arXiv: 1904.03835 , 或者 Phys. Rev. D 100, 063537 (2019) ——正反物质不平衡之谜
[4] arXiv: 1903.07474 ——超高能宇宙射线
[5] arXiv: 1906.10262 ——实验室检验
[6] arXiv: 1908.11838 ——暗能量,中微子
[7] https://doi.org/10.31219/osf.io/8qawc ——超对称镜像模型
[8] arXiv: 2003.04687 ——超对称镜像模型的通俗讨论
[9] https://doi.org/10.31219/osf.io/2jywx ——黑洞,引力
[10] arXiv: 2006.10746 ——K0介子、Λ0和Ξ0重子的不可见衰变

Supersymmetric Mirror Models (SMM)
超对称镜像模型 [Supersymmetric Mirror Models (SMM)]
早期宇宙在超对称镜像模型 [supersymmetric mirror models] 下的演变

July 17, 2020
Last modified: July 19, 2020

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