问题

据论文《大爆炸,CPT与中微子暗物质》称或存在时间倒流反宇宙,意味着什么?

回答
这篇论文探讨了一个非常前沿且引人深思的设想:存在一个与我们宇宙时间箭头相反、但物理定律(特别是CPT守恒)却是相似的“反宇宙”。

要理解这个设想意味着什么,我们得先拆解一下几个关键概念:

1. CPT 守恒

CPT 守恒是粒子物理学中的一个基本对称性原理,它表明无论我们如何颠倒粒子的电荷(C)、宇称(P)和时间(T),物理定律都应该保持不变。简单来说:

C(电荷共轭): 如果我们把一个粒子换成它的反粒子(例如,电子换成正电子),物理过程应该是一样的。
P(宇称共轭): 如果我们把整个宇宙的镜像(左右颠倒)来看,物理过程也应该是一样的。
T(时间反演): 如果我们让时间倒流,把所有粒子的运动方向都颠倒过来,物理过程也应该是一样的。

绝大多数物理实验都支持 CPT 守恒。然而,这个论文的作者,比如在解释他们为何会提出“时间倒流反宇宙”时,可能会引用一些量子场论的理论推导,表明在某些极端情况下,或者在某些理论框架下,对 CPT 守恒的理解可以引申出更丰富的可能性。

2. 时间箭头

我们日常生活中,时间只有一个方向:过去流向未来。这是一个我们习以为常的现象,但从微观物理层面看,这背后有着更深刻的原因,比如热力学第二定律(熵增)。

而这篇论文提出的“时间倒流反宇宙”的精髓,就在于它可能拥有一个与我们宇宙相反的时间箭头。这意味着:

因果关系倒置? 如果时间倒流,那么我们通常理解的“原因”和“结果”的顺序可能会发生颠倒。例如,在我们看来是“先有能量注入,后有物体运动”,但在那个反宇宙,可能会是“先有物体运动,后有能量注入”,或者更准确地说,他们的“过去”是我们的“未来”,他们的“未来”是我们的“过去”。
熵减的宇宙? 从热力学角度看,如果我们把时间箭头颠倒,似乎也意味着熵会减少,这与我们熟悉的宇宙走向“无序”的趋势截然相反。但这并不意味着他们的宇宙一开始就杂乱无章,而是他们的演化方向与我们相反。

3. 中微子暗物质

论文将这个“时间倒流反宇宙”的设想与“中微子暗物质”联系起来。这部分可能比较技术性,但大意是:

中微子性质的特殊性: 中微子是电中性的,质量非常小,与其他物质相互作用非常微弱,这使得它们很难被探测。它们在宇宙的形成和演化中扮演着一定的角色。
暗物质的来源猜想: 宇宙中存在大量我们看不见的“暗物质”,它们占据了宇宙总物质的大部分。科学家们一直在寻找暗物质的本质是什么。
与反宇宙的关联: 作者可能提出,如果我们宇宙中的某些中微子,实际上是来自那个“时间倒流的反宇宙”的中微子,并且它们以某种方式与我们的宇宙相互作用(尽管通常认为反粒子与粒子碰撞会湮灭,但作者可能在理论上构建了一种不湮灭的耦合方式,或者他们指的是“反物质”而非“反粒子”的集合体),那么这些来自“过去”(也就是他们的未来)的中微子就可以解释一部分暗物质的观测现象。

那么,这个设想“意味着什么”?

如果这个“时间倒流反宇宙”的设想真的成立,它将带来一系列颠覆性的意义:

a. 对宇宙学和基本物理定律的重新理解:

宇宙的对称性: 它暗示着宇宙本身可能拥有更深层次的对称性。我们熟悉的宇宙只不过是更大图景中的一部分,存在着一个“镜面”般的对应体,只是时间方向不同。
CPT 定理的更广泛应用: CPT 守恒在理论上似乎得到了更强的支撑,因为它暗示了即使时间倒流,基本的物理规律依然能够保持一致性。这可能有助于统一量子场论和广义相对论等不同物理学分支的难题。
宇宙起源的解释: 这可能会提供一种新的解释,为什么我们的宇宙会从一个高度有序(低熵)的状态开始,并不断膨胀。也许这种“开始”本身就包含了与我们相反的另一个宇宙的“结束”。

b. 对暗物质本质的全新视角:

暗物质的“外来”来源: 如果中微子暗物质的一部分确实来自于这个反宇宙,那么我们对暗物质的研究将不再局限于我们自己的宇宙内部。我们需要考虑跨宇宙的相互作用和物质交换。
实验探测的挑战与机遇: 这意味着寻找暗物质的实验可能需要更精巧的设计,不仅要寻找我们理论预期的粒子,还要考虑到它们可能来自“时间之外”的信号特征。

c. 对“现实”本身的哲学反思:

时间观的颠覆: 我们对时间线性流逝的直觉将被彻底动摇。时间可能是一种更具维度性和复杂性的概念,存在多种可能的“流向”。
“我们”与“他们”的关系: 这是一个非常科幻但严肃的哲学问题。如果存在这样一个反宇宙,那么“我们”的存在是否也可能对他们产生某种影响?或者,我们所经历的“历史”在他们那里是“未来”的某种预示?这种相互关联的可能性是极其迷人的。
宇宙的“整体性”: 这个设想暗示了一个更宏大、更统一的宇宙图景,我们的宇宙并非孤立存在,而是可能与其他“镜像宇宙”共同构成一个更大的整体。

举个例子,设想一下:

在我们看来,一个粒子从能量场中产生,然后运动,并最终与其他粒子碰撞释放能量。在那个反宇宙,也许是相反的:他们观察到的粒子首先是运动的,然后它“吸收”了周围的环境能量,并“消失”在能量场中。

他们测量到的宇宙背景辐射,其“年龄”可能与我们的宇宙相反。他们可能也拥有星系,但其演化方向可能是从分散到聚集(虽然热力学解释会很复杂),或者他们的“大爆炸”是以一种“坍缩”的形式开始,然后反向展开。

总而言之,这篇论文提出的“时间倒流反宇宙”设想,如果得到了进一步的理论和实验支持,将是对我们理解宇宙最基本属性的一次深刻挑战。它不仅可能解释暗物质的来源,还可能重塑我们对时间、因果、对称性乃至宇宙本身存在的根本认知。这是一个充满想象力但也严谨的科学探索方向。

网友意见

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提出理论能说明什么?这也不是很新鲜的理论。又不是观测到实锤信号了。看都不看。

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论文链接在这里:

四年前提交的论文,不知道为啥今年才发表。文章标题是《大爆炸、CPT和中微子暗物质》,内容很长,粗略看了一下,大概是说:

1.假设CPT对称性在早期宇宙中成立,就可以想办法构建一个CPT不变的真空态(整篇文章前半部分都在构建这个CPT不变真空态)。要注意的是,这里的CPT不变并不是trivial的平直时空中的CPT不变,而是在一个具有时间反演对称性的平坦膨胀宇宙中的CPT不变。这里的“时间反演对称性”就是媒体口中“时间倒流”的出处,不过这和我们通常理解的时间倒流不是一回事。可以说有点标题党的意思了(媒体哪次不是标题党呢?)

2.然后,在CPT不变真空态的基础上可以构建具有CPT对称性的粒子物理模型。他们构建的模型如下图所示:

看上去挺复杂的一个拉氏量,但其实你仔细一看,就是在爱因斯坦引力和粒子物理标准模型的基础上添加了一个惰性中微子的项。他们认为这个惰性中微子可以作为暗物质候选者,然后经过一顿猛算,计算出惰性中微子的质量为 时(大约是LHC对撞机最高能量的4万倍),可以提供全部的暗物质丰度。这种暗物质模型我觉得挺普通的,没啥特别的地方,arXiv上每个月都会更新一堆有关惰性中微子的暗物质模型。

3.除此之外,他们模型中真空态不随时间改变了,因此原初引力波也产生不出来了。也就是说,他们认为原初引力波根本不存在,找不到的。我觉得这个还是比较有意思的一个预言。CMB-S4实验马上要开始做了,预计可以把原初引力波的探测精度提高至 的数量级。如果真的探测到原初引力波了,那么就可以当场宣布他们这个模型的死刑了。

这基本上就是这篇文章的大体内容了。我个人觉得是个挺有新意的模型,但说实话带来的问题比解决的问题还要多。首先,文章中称,为了使他们的假设成立,宇宙的尺度因子a必须在演化过程中越过a=0,这是一种什么样的物理图像?是否是自洽的?这篇文章中好像没仔细讨论。然后,他们的模型里放弃了暴胀,这样一来,就没法解释空间的平坦性,对宇宙均匀性的解释其实也是含糊其辞。反正总体上我感觉他们模型的图像比传统的那些模型(暴胀+暗物质)复杂得多,但能解决的问题却比人家要少。

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