關於正反物質不對稱的困惑。。。

戴榕菁

英國著名物理學家保羅狄拉克在1928年宣告了反物質的存在[1]，之後不久比利時宇宙學家喬治·勒瑪特（Georges Lemaître）又提出了現今被稱為大爆炸（Big Bang）的理論設想[2]。從那以後，物理學界的一個至今仍爭論不休的懸而未決的問題是“為什麽大爆炸產生的正反物質沒有相互銷毀而留下一個我們今天生存於其中的正物質世界？”產生這個問題的基本原因是：1）根據狄拉克的理論，正反物質相遇後會相互毀滅並產生某種形式的能量（如光子）；2）在大爆炸中物質與反物質應該是成對地產生，因此應該兩兩相互在碰撞中相互毀滅才對。

在給出了各種高深複雜的理論解釋之後，物理學家們認為解決這個問題的最終答案在於需要找出一個新的物理學理論來對之進行解釋[3]。

物理學家們對於宇宙在經曆了最初的大爆炸之後所遺留下來的可以讓他們產生困惑的正物質世界的困惑讓作為身處物理學界之外的觀眾的我產生了一個困惑。我的困惑來自下麵這張示意圖：

上圖中的漂亮圖畫取自NASA的宇宙膨脹編年史示意圖[4]，那四條構成尖角的黑線和紅線是我加進去的。我用那四條黑線和紅線表示的光速的限製所構成的時間線。當然，這裏一個顯然的前提是取自NASA的圖所表示的是整個宇宙的膨脹曆史中的一部分，而我的那四條線則對應於宇宙中的某個局部區域。其中那兩條黑線表示宇宙中的某一點處的由光速決定的某部分宇宙塊，而那兩條紅線則表示黑線所代表的由尖點膨脹出的宇宙塊的最邊緣的地區的可觀測宇宙的邊界。與NASA的圖畫不同的是，我的那幾根線是隨手畫出的示意線，它們之間的角度和距離沒有任何實際的比例意義。

我用上麵這個示意圖說明的是，在大爆炸初期發生的宇宙的超光速的迅速膨脹過程中，熱力學的漲落有可能導致某些區塊全是正物質，而另一些區塊全是反物質。一旦其中某一塊正物質區塊由於宇宙的高超光速膨脹而落在了與最鄰近的具有同量級的質量的反物質區塊的由光速限製所決定的可觀測範圍之外的，那麽這塊正物質區域就永遠也不可能再有與任何一個具有和它同等量級的反物質區塊發生碰撞的機會了。我們並不需要用數學理論推導或數值模擬來計算這種宇宙塊產生的機會，因為我們所生活的這塊宇宙能夠由正物質組成（或至少是由占絕大多數的正物質組成）這一事實本身就表明這一正物質宇宙塊實實在在地產生了，也就是說我們的這塊宇宙當初在大爆炸後的迅速膨脹中的周邊可觀測宇宙內不存在足以抵消它的同等量級的反物質宇宙塊，因此就有了我們今天這個人類世界，就有了我現在寫的這篇文章。

這不是說我們的這塊正物質宇宙的周圍從未有過反物質，而是說它周圍的反物質要麽是與正物質抵消掉了，要麽就是由於宇宙的超光速迅速膨脹而不再存在於它的邊界點的可觀測宇宙內了。當然，這並不完全排斥我們這個正物質的宇宙內部的某個區域仍然存在著某小塊區域或某些小塊區域具有反物質星球甚至星團的可能性；但是，即便我們的正物質宇宙中仍然有某些小塊反物質星球或星團，它們的質量（體積）與我們所生存於其中的正物質宇宙相比起來一定是微不足道的，否則我們的這個正物質宇宙也就不可能存在至今了。

這裏要特別注意一點：根據今天的物理學，今天我們的正物質世界裏的物質僅是大爆炸產生的正物質10億分之一[5]（CERN：a tiny portion of matter – about one particle per billion – managed to survive）。也就是說，在大爆炸後的不到一秒鍾的時間裏產生的一大堆的正反物質彼此之間相互碰撞消除之後，每十億個粒子中有一個偶然留了下來。

如果在非常大（按照大爆炸後的膨脹尺度來算）的一個空間中有兆兆億的正反粒子彼此碰撞抵消，結果碰巧在其中的某一塊地方有10億分之一的正物質留了下來，而與其相應的反物質與它們之間的間隔大到它們的隨機熱運動速度無法克服與距離成正比的宇宙膨脹速度。雖然在經曆的最初的被稱為inflation的高超光速的迅猛膨脹之後，宇宙膨脹的速度會下降，但是隻要那些多餘的正物質區域和反物質區域之間的間隔足夠大，那麽因為粒子物質的熱運動本身的速度較低（在每秒數公裏的量級，遠低於光速），它們仍可能無法克服宇宙膨脹的速度，至少來說，不會出現大規模的正反物質由於自身的熱運動而彼此抵消的機會。

上述討論中的基本條件是大爆炸後產生的正反物質在空間的分布及各自的熱運動不是完美的，因此，有10億分之一的正反物質在所有其它的正反物質彼此抵消後發現它們相互之間的距離遠到無法完全通過自身的熱運動克服仍在繼續進行中的宇宙膨脹。這與熱力學運動的基本的漲落概念是完全一致的。

另外，我這裏所說的我們所生存的正物質宇宙並不一定就隻是我們地球目前所處的所謂的可觀測宇宙，它既可以是我們的這個可觀測宇宙，也可以遠大於我們的這個可觀測宇宙。

現在問題來了。在我看來我上麵所提供的這個形而上學的分析討論是對於為什麽我們能生活在一個由正物質組成的宇宙中的非常合理而且邏輯上嚴格（即不存在邏輯漏洞）明確且直接了當的解釋，這就讓我產生了一個巨大的困惑：物理學家們自上世紀30年代至今對於他們所謂的正反物質的不對稱問題為什麽放著這麽一個簡單直接的答案不用，而非要去尋找無比深奧的答案以至於到了非要尋找新的理論來解決這個問題的地步呢？

其實，從下麵的參考資料【3】所提供的視頻鏈接中可以看到，物理學家們也想到了熱力學過程與當初宇宙的迅速膨脹的組合答案這一選項。我最初還以為他們的相應的組合答案與我想的是一回事兒呢（我在看那個視頻之前很早就有這樣的思路。我好像還在中文網上某個地方談到過這個思路），但後來再稍微一調研，發現完全不是那麽回事兒。他們的類似的解釋叫做Sakharov Criteria，是由前蘇聯的物理學家諾貝爾和平獎得出薩哈羅夫在1967年提出的。其中涉及到熱力學的部分不但無比複雜（與我這裏的討論相比）而且最終也不能給出正反物質不對稱的合理而完整明確的解釋。

我反複審查了我的上述分析邏輯，實在找不出什麽漏洞來。這就讓我困惑了。。。物理學難道和形而上學真的早已經不是一家人了？亞裏士多德早已被徹底趕出了理學院？。。。若果真如此，科學危矣。。。。。。

 

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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]

我自己在英文評論區做的補充：
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]

歡迎前來就此議題參加討論：

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

[慕容青草]

CERN 關於反物質的說法：
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.