Category: 中文博文

本文基于如下论文：“Laboratory tests of the ordinary-mirror particle oscillations and the extended CKM matrix”

自从粒子物理的标准模型（Standard Model）在上世纪七十年代建立起来以后，我们在基础物理理论方面似乎没有感到太大的进展。尽管标准模型的精确性得到了实验上令人叹为观止的十几个数量级的验证，我们仍然非常确定标准模型肯定不是量子理论的最后形式。同时人们还非常渴望统一标准模型里的规范相互作用与爱因斯坦的广义相对论为基础的引力理论。这大概也是为什么最近四十年的基础物理理论研究主要集中在所谓量子引力（Quantum Gravity）的研究，特别是关于弦论（String Theory）和圈量子引力（Loop Quantum Gravity）及类似理论。

然而这些理论都有一个致命的弱点：我们几乎不可能在任何可预见的将来对它们进行实验检验。至于各种各样的超越标准模型（Beyond the Standard Model / BSM）的唯象模型，绝大多数都类似一种玩具模型（toy model），同样缺少坚实的理论预言的可检验性。另一方面，自从伽利略几百年前把物理学奠定为一门实验科学之后，所有基础物理理论的进展都有实验证据的坚强后盾，这让我们很难满意这些年来的基础理论研究的方向。

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本文基于如下论文：“Kaon oscillations and baryon asymmetry of the universe”

正反物质的不对称性（matter-antimatter imbalance 或者 baryon asymmetry）大概可以算是我们所知的普通物质世界的最大的谜团。当下的物理学（除去新镜像物质理论-Mirror Matter Theory）还无法理解占宇宙总能量95%的暗物质和暗能量。但事实上我们对只占5%的普通正物质（主要是夸克和电子组成的原子形成的恒星和星系）的来源也不清楚。而正是这看起来不多的正物质构成了我们眼中缤纷的大千世界，演化出了丰富多彩的各种生命，更进化出了作为智慧生物的我们人类。

比较公认的对早期宇宙能很好描述的是所谓的热大爆炸理论（hot big bang theory）。它有如下几个重要特征或优点。它要求在非常早期，宇宙经历了暴胀（inflation）过程。这一指数膨胀机制可以解释为什么宇宙在大尺度上具有均匀性（homogeneity）和平滑性（smoothness），即所谓的视界问题（horizon problem）。它也可以解释为什么宇宙是平坦的（flat）。它似乎还可以用来理解宇宙的（至少大体上的）各向同性（isotropic）。但近些年的观测和分析表明，我们的宇宙似乎并非完全各向同性 [参见Colin等人的论文，Astron. Astrophys. 631, L13 (2019)]。而新镜像物质理论的分步暴胀机制恰好可以解释这样的各向异性。

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本文基于如下论文：“Neutron-mirror neutron oscillations for solving the puzzles of ultrahigh-energy cosmic rays”

本来这一阶段我更痴迷于用新模型解决中微子和正反物质不对称之谜，但一来这些问题更困难一些 ，二来受之前类似工作的启发，我便先完成了相对容易的关于超高能宇宙射线（ultrahigh energy cosmic rays）之谜的论文。而且通过前两篇奠基性论文，新模型的两个内廪参数（n-n’混合强度和质量差）已大体确定。但新镜像理论（mirror matter theory）的宇宙学参数——镜像物质对普通物质温度之比（T’/T）还未知，研究超高能宇宙射线之谜恰恰可以确定这一参数。

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知乎问题：既然所有的生命都要死亡，那么生命的意义是什么？

这是一个很大的问题，也是一个不容易回答的问题。而且存在很多不同角度的回答。这样的回答，从大到全宇宙的上帝视角，到全体生命的精神内涵，到智慧生命的认知角度，到人类社会的方向，到社会组织结构（大到国家，地区，小到社区，家庭）的层次，一直小到个人的体验，都可能千差万别。对生命的意义的回答还依赖不同学科的探讨：自然科学上的，社会学的，哲学的，文学的，艺术美学的，生物学的，甚至个人体验的，都可能反映了问题的不同侧面。

这里我们利用现代科学特别是物理科学的空前进展所给予我们的启示来讨论生命的意义。

这大概算是在憧憬一种大一统理论之下的误解。其实广义相对论（general relativity）和量子理论（quantum theory）没有不可调和的矛盾。根据最新提出的的镜像世界理论（mirror matter theory），特别是在动态时空演化下的超对称镜像模型（Supersymmetric Mirror Models），广义相对论描述的是时空维度暴胀（inflation）后量子涨落被平滑后导致的平均场效应，即暴胀后平滑的时空几何。在这种意义下，这两种理论完全相容并对我们的宇宙做出一致的描述。

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知乎问题：为什么物理学的突破放缓了？

其实从某些物理分支学科来看，比如凝聚态物理及其他量子应用物理的角度来看，最近几十年的发展非常迅猛。但人们更关心的可能是更基础的物理理论体系的划时代的突破。出于人类天生的探索本源的好奇心驱使，而且基础物理建筑在人类理解自然和科学认知的顶端，所以它的突破更容易为人们所津津乐道。然而其他下级物理分支学科尽管受基础物理进展的影响但事实上是不能从基础物理完全导出的，即使原则上也不行。关于这方面的讨论，可以参见这篇通俗文章：“No single unification theory of everything”

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本文基于如下论文：“Neutron oscillations for solving neutron lifetime and dark matter puzzles”

这篇论文通过对中子反常寿命和暗物质之谜的解决得以成功建立了一个相当精确而且自洽的镜像世界模型（Mirror Matter Model）。它同时也解决了之前一篇博文（镜像世界探秘2）谈到的恒星演化和元素合成之谜。

中子，于1932年由Chadwick首先从实验上发现并于1935年获得诺贝尔奖。中子和质子一起组成了所有元素的原子核。但自由中子是不稳定的，它的寿命只有大概15分钟，然后就会通过我们唯一已知的方式衰变成一个质子，一个电子，和一个反中微子（即β decay）。

前文提到新镜像理论一个主要的贡献就是新中子振荡（n-n’）模型的提出。关于普通-镜像中子振荡（n-n’）的想法很久就有了。但它真正引起人们注意的是由于最近几年有关中子寿命反常的测量。还有另一种中子振荡是指更早期的认为正反中子互相转化的想法。

Continue reading “镜像世界探秘3——模型建立与中子寿命和暗物质之谜”

在写当前的突破之前，我们先来回顾过去：

现代物理的第一个划时代突破大概要算伽利略（Galileo）首先把物理奠基为一门实验的科学。接下来是牛顿（Newton）的运动定律和他的万有引力的两大发现。这奠定了牛顿在物理乃至科学上的不可动摇的地位。

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对恒星演化和元素合成之谜的长期思考是直接导致我着手建立新的镜像世界理论（Mirror Matter Theory）的原初动力和依据。

元素合成是核天体物理的一个主要研究方向。所有元素的起源可以分成两大情形。第一个就是在宇宙诞生之初的轻元素的合成（包括氢、氦、锂等等）。Gamow是提出宇宙大爆炸理论的先驱。他和他的学生Alpher最早做出了大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis）的计算并于1948年发表在了他们著名的αβγ论文。为了凑成希腊语的前3个字母（αβγ），Gamow在论文里把大物理学家Bethe也加为作者，这让作为学生的Alpher很是郁闷。囿于当时局限，他们以为大爆炸可以合成所有的元素。事实上，由于不存在稳定的原子量为5和8的同位素，大爆炸核合成只能形成最轻的一些元素（大约四分之三的氢、四分之一的氦和极少量的其他轻元素）。 Continue reading “镜像世界探秘2——恒星演化和元素合成之谜”