物理學(xué)史上最大的謎團(tuán)之一是反物質(zhì)的失蹤案件。保羅·狄拉克因發(fā)展了其以自己命名的電子方程而著名，他在其中預(yù)言了反物質(zhì)的存在。這個方程預(yù)測了一種與電子電荷相反的神秘粒子。他提出當(dāng)時他所知道的唯一帶正電的粒子是質(zhì)子，但結(jié)果卻是正電子，即電子的反粒子。該方程對這些粒子呈現(xiàn)出對稱性，表明在物質(zhì)與反物質(zhì)之間不存在任何區(qū)分性特征，使得一者相較于另一者更為重要或更為普遍。這就引出了一個問題：宇宙中所有的失蹤反物質(zhì)在哪里？這個問題有一個名稱：重子不對稱性（baryon asymmetry），它是粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)中的一個主要未解之謎。一些人猜測，失蹤的反物質(zhì)是由于宇宙中的某種不對稱性所致。其他人則認(rèn)為，我們的宇宙必定有一個反物質(zhì)宇宙的孿生兄弟，在某處存在。也許反物質(zhì)就在可觀測宇宙的邊緣之外。也許反物質(zhì)受到物質(zhì)的引力排斥，因此遠(yuǎn)離物質(zhì)，但在某處可能有整個的反物質(zhì)恒星和行星。我懷疑我們看不到反物質(zhì)的原因?qū)嶋H上比這更簡單、更直觀，但要理解答案，你必須了解一些關(guān)于反物質(zhì)的事情，它是什么，以及它與物質(zhì)的關(guān)系。首先，每個粒子都有一個反物質(zhì)對應(yīng)物。對于某些粒子，如光子，其對應(yīng)物就是其本身。對于其他粒子，如電子，其對應(yīng)物——正電子，只在粒子加速器和宇宙射線中被看到，高能量會從其他粒子中創(chuàng)造它們。基本粒子，意味著就我們所知，不能被細(xì)分為更小的組成粒子，包括電子、正電子和物質(zhì)及反物質(zhì)的夸克。這些是最基本的費米子例子，費米子是具有1/2倍數(shù)自旋的粒子。據(jù)我們所知，費米子絕不會是其自身的反粒子。然而，馬約拉納提出了理論，暗示這種情況有可能存在。我們一直在追尋馬約拉納費米子的蹤跡。每個粒子都有一個自旋，這是角動量的量子版本。粒子不像陀螺那樣旋轉(zhuǎn)。相反，它們以離散的量擁有角動量，以0、1或1/2的倍數(shù)出現(xiàn)。自旋是帶電粒子產(chǎn)生磁場的關(guān)鍵因素。當(dāng)固體內(nèi)部的自旋進(jìn)行有序排列時，便會產(chǎn)生類似于永磁體的獨特現(xiàn)象。順便說一句：一種理解自旋的方式是作為一種對稱性。如果一個粒子的自旋為1，這意味著它具有一次完整旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)對稱性。例如，我的辦公椅具有360度的對稱性，所以如果我旋轉(zhuǎn)它一次，它看起來是相同的。如果某物的自旋為2，如假設(shè)的引力子，則它具有180度的對稱性。我的橢圓形桌子具有180度的對稱性。一個自旋為4的粒子將具有90度的對稱性，就像一個方形桌子。另一方面，自旋為0的粒子就像一個無特征的球體。它從任何旋轉(zhuǎn)角度看起來都是相同的。自旋1/2具有720度的對稱性，意味著你必須旋轉(zhuǎn)兩次才能看起來相同。我可以用所謂的盤子技巧來演示這種對稱性。你可以在家中親自嘗試以下這個實驗：將一個盤子平穩(wěn)地放在你面前的手掌上。接下來，努力保持盤子不掉落或不讓手掌相對于盤子改變方向，僅利用你的肘部、腕部和肩膀，將你的手旋轉(zhuǎn)360度，使盤子恢復(fù)到起始的位置和方向。在此過程中，你需要讓盤子經(jīng)過你的肩部上方或下方，你會發(fā)現(xiàn)此時你的手臂已經(jīng)扭曲。然后再進(jìn)行一次，但這次讓盤子通過與第一次相反的路徑（如果之前是上方，現(xiàn)在就是下方；反之亦然）。完成后，你會發(fā)現(xiàn)你的手臂已經(jīng)恢復(fù)到未扭曲的狀態(tài)。原子主要構(gòu)成于費米子，其部分質(zhì)量或能量源自于非實體粒子的結(jié)合力。因此，當(dāng)我們探討反物質(zhì)失蹤的議題時，實質(zhì)上我們關(guān)注的是尋找那些與我們熟悉且珍視的物質(zhì)原子相對應(yīng)的缺失反物質(zhì)原子。在物理學(xué)中，物質(zhì)和反物質(zhì)通過一種稱為電荷-宇稱-時間（CPT）對稱性的對稱性相關(guān)聯(lián)。我們知道，對于一個給定的帶電物質(zhì)粒子，如電子，其反物質(zhì)對應(yīng)物將具有相反的正電荷。這就是為什么我們稱它們?yōu)檎娮印?/span>宇稱變換意味著在一個或多個空間維度中取一個粒子的鏡像。大質(zhì)量費米子在單獨的宇稱變換下不是對稱的。另一個說法是，它們沒有手性對稱性。這意味著有左手和右手的電子。我們之所以不經(jīng)常聽說這個，是因為除了與弱相互作用（負(fù)責(zé)放射性衰變）有關(guān)外，它們的行為沒有不同。在普通的電磁學(xué)中，它們彼此之間沒有區(qū)別。宇稱是物理學(xué)中的一個概念，用于描述物理系統(tǒng)在空間反演（即鏡像變換）下的對稱性。它是量子力學(xué)和粒子物理學(xué)中的一個重要概念，尤其在研究基本粒子的行為和宇宙學(xué)中扮演著關(guān)鍵角色。當(dāng)我們對一個物理系統(tǒng)進(jìn)行宇稱變換時，我們實際上是將所有的空間坐標(biāo)點 (x,y,z) 轉(zhuǎn)換為 (?x,?y,?z)。在這種變換下，如果系統(tǒng)的物理性質(zhì)保持不變，則稱該系統(tǒng)具有宇稱守恒。如果物理性質(zhì)發(fā)生改變，則稱宇稱不守恒。 第三個對稱性是時間，也就是時間反轉(zhuǎn)。這實際上像是時間的宇稱，所以不是粒子從過去傳播到未來，而是有粒子從未來傳播到過去。如果你反轉(zhuǎn)（reverse）一個粒子的電荷，你得到它的反粒子，但如果你也反轉(zhuǎn)宇稱和時間，你又得到了原來的粒子。這很有趣，因為如果你知道正電子僅僅是在宇稱和時間下反轉(zhuǎn)的電子，那么從物理上講，正電子和一個向后時間旅行的電子沒有區(qū)別。高能粒子碰撞，如你在粒子加速器中發(fā)現(xiàn)的，會成對創(chuàng)造粒子和反粒子。你甚至可以使用足夠強(qiáng)大的激光來創(chuàng)造它們，實際上是從虛無中產(chǎn)生它們。一旦創(chuàng)建，電子和正電子會稍微分開一點，然后，因為它們相互間的電磁吸引，再次回落在一起。當(dāng)它們相撞時，它們會產(chǎn)生一對光子，即光。如果你在所謂的時空圖上畫出這個看起來像什么？時空圖是一個空間為水平軸、時間為垂直軸的圖表，你會發(fā)現(xiàn)它看起來像一個圈。由于正電子只是一個向后時間旅行的電子，因此，它看起來不是有兩個粒子，而是只有一個在空間和時間中移動形成一個閉環(huán)的粒子。這將對我即將提出的關(guān)于所有那些反物質(zhì)在哪里的論點很重要。在大爆炸期間，我們會預(yù)期創(chuàng)造出等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型在這兩者方面是對稱的。- 存在我們不知道的、超出粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的不對稱性。
超出標(biāo)準(zhǔn)模型的一些想法引入了不對稱性。其中最突出的涉及重中微子，這些是比我們已知的具有更大質(zhì)量的中微子。重馬約拉納中微子是其自身的反物質(zhì)但同時具有質(zhì)量。這些中微子在大爆炸初期會很快衰變，從而在物質(zhì)和反物質(zhì)之間創(chuàng)造出不對稱性。重中微子也是暗物質(zhì)的候選者，如果它們被發(fā)現(xiàn)，將是重大的。一些更具想象力的想法提出，大爆炸實際上產(chǎn)生了兩個宇宙，一個從大爆炸向未來傳播，另一個向過去傳播。這利用了物質(zhì)和反物質(zhì)之間的CPT對稱性聯(lián)系。我的自己的想法實際上比這更簡單，并不需要對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行任何修改，也不需要額外的宇宙或任何反物質(zhì)在某處。相反，它依賴于一個已經(jīng)使用了2000年的數(shù)學(xué)變換。它被稱為立體投影（stereographic projection）。簡而言之，它是一種從一個平坦的無限平面到一個有限球體的投影方式，反之亦然。它可以在1維中完成，在這種情況下，它是從一條線到一個圓，或者在更高維度中，雖然無法直觀看到，但數(shù)學(xué)檢驗是成立的。- 平面上的每個點都唯一對應(yīng)到球體上的一個點，包括無限遠(yuǎn)點對應(yīng)到北極。
如果你想象我之前談到的時空圖，你可以將它映射到球體上。在這種情況下，無限遠(yuǎn)的時間和空間都映射到球體上的一個點：北極。如果我把我之前在時空圖上的電子-正電子對的創(chuàng)建和湮滅圈映射到球體上，它在球體上也會是一個圓。但是，如果我只是取一個從無限過去到無限未來在時空圖上任何空間方向上傳播的電子，那也會映射到球體上的一個圓。只是，它的圓會通過北極。換句話說，粒子對的創(chuàng)建和湮滅中出現(xiàn)的物質(zhì)和反物質(zhì)之間的表觀對稱性，實際上在球體上對于單獨的物質(zhì)仍然存在，前提是這些物質(zhì)不是來自于過去有限距離的創(chuàng)建事件。我們沒有觀察到反粒子是因為粒子從未在時空平面上回溯時間。這個“圓”的曲率半徑是無限的。或者，您可以通過啟動一個粒子對的創(chuàng)建/湮滅循環(huán)，并將這些創(chuàng)建和湮滅事件推移到無窮遠(yuǎn)的過去和未來來達(dá)成此目的。同時，將循環(huán)中的反物質(zhì)部分移至無限遠(yuǎn)之處。在這種極端情況下，反物質(zhì)便會消失不見。請記住，在這兩種情況下，無論是有限的創(chuàng)建和湮滅對，還是在大爆炸中形成的普通粒子，粒子和反粒子是同一個粒子，我們只是在它們在時空中的圓形軌跡的不同點上觀察它們。現(xiàn)在，如果粒子實際上是在大爆炸中創(chuàng)建的，這可能是個問題，因為大爆炸是在一段有限的時間前發(fā)生的，但我們并不是精確地這么說。我們所知道的是，大約138億年前，存在一個熱密的時期。我們真的不知道在那之前是什么。請記住，我們的時空平面不是靜態(tài)的，而是在空間中伸展，也許在時間中也是如此，所以大爆炸可能實質(zhì)上是在過去的無限時間距離。（例如，這是以撒·阿西莫夫推廣的對數(shù)時間的一個特征。）為了證明這個概念，我們需要對大爆炸以及物質(zhì)，特別是費米子，如何從中產(chǎn)生了解更多。但如果正確的話，那么我們可能永遠(yuǎn)也不會從粒子加速器得到為什么宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)多的答案，因為你需要處于時間的開始（或結(jié)束）才能找出答案。
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