昨天的文章说的是弱力导致了宇称不守恒,而我们生活的正物质宇宙也是因为宇称不守恒而存在。

回到今天的主题。

宇宙大爆炸的时候,产生的正反物质数量是一样的,如果自然法则完全对称,那么正反物质会全部湮没成能量,宇宙就没有物质,只剩下能量了。

而我们的宇宙之所以能成为今天的样子,就是因为宇称不守恒。

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(1)

在宇宙大爆炸那一瞬间,正反物质相互转换的时候,弱力时间不对称,正物质比反物质多了十亿分之一,太阳地球都是那十亿分之一正物质的产物。

所以弱力导致的宇称不守恒,也不是件坏事。

并且,弱力还导致了正反物质电荷、空间、时间单独反转不对称。

但是,如果把这三个一起反转,就会超级对称,物理学家取它们这三个的首字母,就叫CPT联合对称。

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(2)

所有的物理规律都是“CPT严格对称的”。

而CPT对称的核心是 正物质的空间与时间反演后 会变成反物质。

所以正反物质,除了时间、空间不一样外,物理规则都是一样的。

因此,反物质组成的宇宙,也能形成类似地球一样的行星,也会有风雨雷电,也能诞生生命。

而根据罗杰·彭罗斯的观点:宇宙膨胀到了极致就收缩,反物质宇宙是我们这个宇宙的未来。

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(3)

他的观点来源于红移现象。

什么是红移现象?

红移现象是多普勒频移的一种,对应的还有蓝移现象。

光波频率的变化能够使人感觉到颜色的变化,如果恒星离我们远去,则光的谱线就向红光方向移动,称为红移;

如果恒星朝向我们运动,光的谱线就向紫光方向移动,称为蓝移。

美国天文学家哈勃于1929年确认,遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去,同时,它们的红移随着它们的距离增大而成正比地增加,这一普遍规律被称为哈勃定律。

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(4)

根据这一定律,宇宙是向外急速膨胀的,既然宇宙在向外膨胀,那么宇宙就会有起点,这个起点被称为奇点。

根据红移的颜色变化进行推算,宇宙起源于150亿年前。

既然宇宙一直在向外膨胀,当宇宙膨胀至一个临界点时,它就会开始收缩,往外膨胀是正物质宇宙,据此推断,向里收缩就会变成反物质宇宙,这是罗杰·彭罗斯的观点。

当然,反物质宇宙不只这一种观点,还有比如:

黑洞的另一头可能是白洞,白洞的出口就是反物质宇宙;

奇点大爆炸的同时既诞生了正物质宇宙,也诞生了反物质宇宙;

奇点之外的虚空还有许多奇点,有些是反物质宇宙的奇点等等。

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(5)

同样的,这些都只有理论和模型,它们既无法在实验室中重现,也无法找到一个现实存在,所以一直处于一个未知的领域。

但是,对于反物质宇宙跟我们所生活的正物质宇宙,它们之间的区别所得出的结论倒是惊人的一致。

主要有3个区别:

第一个区别是 电荷:在反物质宇宙里面,原子核带负电荷,电子带正电荷跟我们正好相反;

第二个区别是 空间:我们的宇宙是向外膨胀,而反物质宇宙是向内收缩;

第三个区别是 时间,我们宇宙的时间是正向的,反物质宇宙中的时间是倒流的,就像倒着放电影一样。

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(6)

根据昨天讲的弱力宇称不守恒的这个结论:

那么我们宇宙的弱力是个左撇子,反物质宇宙的弱力是个右撇子;

我们宇宙的中微子只能左旋,反物质宇宙的中微子只能右旋。

在很多人的印象中,一说到反物质宇宙,就会想到时间倒流,然后设想着如何回到从前。

这是一个误区,时间倒流的本质是宇宙越来越有秩序,不是说我们可以再倒着活一遍。

热力学第二定律告诉我们,孤立系统的熵随着时间逐渐增大,所以时间本质是熵的方向。

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(7)

熵代表的是系统的混乱程度。

熵增加,时间正向流动;熵减少,时间倒流。

所以,在正物质宇宙,随着熵的增加,物质会越来越混乱,时间正向流动;

在反物质宇宙,随着熵的减少,物质会越来越有序,时间就倒流,最后有可能会收缩到一个宇宙大爆炸的奇点。

前面说过,CPT对称的核心是正物质的空间与时间反演后会变成反物质。

那CPT为什么会对称呢?

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(8)

1940年的诺贝尔物理学奖获得者泡利在数学上严格证明了“洛伦兹变换不变”是“CPT对称”的根本原因。

而洛伦兹变换不变 也是狭义相对论和广义相对论的基础。

所以CPT对称和狭义相对论 是等价的。

而量子力学和相对论的本质关联也是CPT对称和洛伦兹变换。

如果哪一天实验发现CPT不对称,那就出大事了,人类辛辛苦苦100年建立的物理学两大支柱,量子力学和相对论会一起倒掉。

所以CPT对称不管在正物质宇宙和反宇宙中都应该具有同等的作用。

那你认为反物质宇宙中也会有一个自己以熵减的形式在生活吗?

为什么宇宙的正反物质都相同(什么是反物质宇宙)(9)

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