利用克里福德代数的双曲空间理解反物质

利用克里福德代数的双曲空间理解反物质

颗粒和反粒子与电子、反电子、质子、反质子、中性和反中子有关。由亚核粒子可以构成原子、分子以及组成物质。按常识一般认为正粒子可以构成物质,反粒子构成的应该是反物质,科学家们已经证明了几种反粒子的存在。这些反粒子,顾名思义,是一般粒子的镜像。每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量,但是电荷相反。由此推测,反物质是物质的镜像。通常物质中没有发现过反物质,按照质子、中子和电子等亚核粒子与其反粒子的特点,人们想象很远的地方有一个和我们现在的世界很像的世界,或者说是我们的世界在镜子里的像。它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。但对于反物质目前只停留在猜想阶段,无论从理论上还是实践上都没给出确切的答案。1反粒子的出现和发展1928年,英国物理学家狄拉克(Dirac)修改了爱因斯坦著名的质能方程E=mc2。考虑“m”(质量)除了正的属性外还有负属性,给出的狄拉克的方程允许宇宙中存在反粒子,并给出负能量海的假设。1930年25岁的安得森(CarlAnderson)发现了第一个反粒子——正电子。1932年布莱克特(PatrickBlackett)和奥基亚利尼(GiuseppeOcchialini)首次看到了同时产生电子和正电子对。40年代费因曼(BichardFeynman)利用费因曼图表示电子和正电子的产生和湮灭,正电子看起来就像是时间箭头反过来的电子,费因曼的时间箭头避开了狄拉克那令人痛苦的负能量海,为正电子从理论上提供了一种全新的令人信服的解释。1955年,高能质子同步加速器的能量达到了反质子的阈值。张伯伦(OwnChamberlain)等四位科学家发现第一个反质子。1965年齐基基(AntoninoZichichi)合成第一个反核,称为重核(由一个反质子和一个反中子组成)。反核可以像原子核一样牢固地结合起来。20世纪50年代,盖尔曼(MurrayGellMann)扮演了门捷列夫在基础化学中的角色,发明了超核——不稳定的亚核粒子,称谓奇异数,引入了夸克和反夸克,表明质子和中子由更小的夸克构成,即在质子的内部深处,反粒子总是存在的。1953年,杨振宁和李正道提出宇称不守恒原理,即粒子和反粒子的镜像可能有缺陷。这时,科学家把普通镜子换成了另一种扩展了的镜子,这种镜子同时完成三种反射(CPT反射),亚核世界经这种反物质镜子反射后由电子反演成正电子。从理论到实验反粒子存在是肯定的,但自然界是否存在过反物质呢?1992年7月,大约有80位专家会聚慕尼黑的路得维希·马克西米利安大学讨论如何产生化学反物质的原子,会议开始认真考虑如何合成反氢。1995年9至10月欧洲核子研究中心的科学家制成了第一批反氢原子,科学家利用反质子加速器将速度极高的反质子流射向疝原子核以制造反氢原子。由于反质子与疝原子核相撞后会产生正电子,刚诞生的正电子如果恰好与反质子流中另外一个反质子结合会形成一个反氢原子。在累计15个小时的实验中他们共记录到9个反氢原子存在的证据。由于反氢原子处在正物质包围之中,它们寿命极短,平均一亿分之三秒(30纳秒)。1996年位于美国费米国立加速器实验室成功制造了7个反氢原子,使反物质研究前进了一大步。反氢原子的制取成功,使人类对反物质的认识从微观的反亚原子粒子提高到反原子的层次,一些科学家甚至对宇宙中的一个生动的反物质世界已开始憧憬。其实,在反粒子提出的早期人们就开始设想着反物质世界。狄拉克在获取诺贝尔奖的讲演中,最后讲到反物质构成的星球时说:“这些星球可能主要是由正电子和负质子构成的。事实上,有可能是每种星球各占一半,这两种星球的光谱完全相同,以至于目前的天文学方法无法区分它们。”人们推测,大爆炸产生的宇宙,创始之初会产生近乎等量的物质与反物质,两者相遇必定烟灭成光,但在生活四周,只见物质的存在,反物质却不见了,这又如何解释呢?20世纪60年代,前苏联物理学家,“导弹之父”萨哈罗夫对反物质问题做了一些解释。他认为,反物质极少的原因是由于物质规律中存在微小的不对称。在大爆炸后最初的瞬间,今天所见到的各种粒子皆融为一体,并统称为X粒子,这种粒子极重,约为氢原子的几十万亿倍。在宇宙的温度不断下降时,X粒子开始衰变,由于宇宙间的这种微小的不对称,最终变为粒子和反粒子,形成十亿零一对十亿之比,即每十亿对正、反粒子仅留下一个粒子。说明宇宙中物质比反物质多了一小部分(约十亿分之一),因为开始的时候有更多的正粒子存在,所以现在的粒子是所有留下来的那些,现在的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子。这可能是只存在物质而不存在反物质,也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光的原因。也就是说,我们今天的宇宙就是由这十亿分之一的粒子构成的,所以我们见不到反物质世界。萨哈罗夫的观点为许多科学家所接受,但也有一些科学家不以为然。丁肇中教授认为,我们不能排除这种可能,在大爆炸时超级火球的某个区域中,可能有利于创生更多的反物质。这样的宇宙演化的结果可能是一个“大拼盘”,这个“拼盘”中,某些空域很可能填充着反物质的星系。任何反物质恒星理应包含反核或反原子、反分子,一旦这种恒星在超新星爆发中死去,它们的反核混合物就被抛入太空。物质和反物质湮灭应突然强有力地喷发出辐射能即γ射线。如果最初的宇宙普遍含有分开的物质星团和反物质星团,那么就会在宇宙背景辐射中留下其痕迹。为了探索反物质丁肇中聚集了一百余名科学家,要把探测器放到太空,以消除大气层对研究反物质的干扰。1998年6月,丁肇中小组的阿尔法磁谱仪搭载美国“发现号”航天飞机,成功地在太空遨游十几天用以探测原子核和带电粒子组成的宇宙射线束。但实验的结果仍没有取得令人满意的结果。可达到地球表面的宇宙线,甚至是在上层大气中的宇宙线,却并未显示出有比反质子更重的反物质的任何迹象,现在观测的γ射线背景并没有迹象表明曾在一个大的尺度上发生过物质一反物质湮灭过程,我们所能看到的宇宙,看起来从来就没有过反物质,我们对宇宙以及宇宙起源的理解,还需要一番重新思考。2正、反粒子波函数的概率诠释从20世纪初反粒子概念的提出,至今已有八十余年的历史,但仍有许多未解之谜。在双曲Minkowski几何的数学背景下讨论微观客体的运动行为和物理性质,可能为反粒子及反物质的解释带来一些新意。下面从几个方面对反粒子和反物质进行讨论,对它们的性质和特点提升一个认识高度。(1)对波函数的几率诠释ψ+ψ可以说是发现粒子的几率。但这类粒子包不包括反粒子?如果不包括反粒子,那么反粒子波函数的几率诠释又是什么形式呢?这类问题在传统量子理论中并没有给出合适的答案。在量子场论中正、反粒子似乎具有厄米共轭关系。在双曲Minkowski几何中讨论正、反粒子波函数的几率诠释,说明了ψ+ψ既包括正粒子,也包括反粒子,或是它们相互耦合的复合粒子。这就给出了正、反粒子的等同关系,这种等同和对称关系还表现在正、反粒子的时空点分别位于Minkowski空间相互厄米共轭的亚光速区。而传统量子力学中,正、反粒子运动行为是无法通过几何空间的时空点来描述的。(2)正、反粒子的厄米共轭实质上是CPT反演,如果不考虑电荷,应为PT反演或为静止质量的反演。在Minkowski空间,PT反演对应能级关系和德波罗意关系,它们的四维形式与四维时空间隔相对应,说明波函数的几率诠释ψ+ψ与相对论的时空间隔和能量动量关系存在着内在的几何关联。这种对称关联可能与正、反粒子间所固有的内禀性质及时空性质有关,同时也刻画了正、反粒子的复数性质,这种泛复数构成了相对论和量子力学的统一数学框架。(3)正、反粒子的静止质量都是由电磁质量和机械质量组成的。一般我们认为正、反粒子间的耦合要发生湮灭,质量和能量之间要发生转变。但这种质能转变的形式和数量关系如何却不得而知。其实,正、反粒子之间湮灭的质量应该是电磁质量,而机械质量部分并不会发生质能转变关系。当粒子的速度越大,正、反粒子耦合前后静止质量的差异越大,电磁质量所占的比例也越大,这种质能转变关系的比例就会增加。反之,当粒子的速度很小时,正、反粒子耦合前后静止质量的差异很小,电磁质量所占的比例也很小,正、反粒子之间湮灭的质量所占比例也很小。就是说,不能认为正、反粒子之间产生湮灭就全部发生了质能转变,它们有一部分静止质量是不参与质能转变的,它们可以转变为其他有静止质量的粒子。特别是在经典近似时,由于时空对称性的破缺,正、反粒子之间的产生与湮灭可能转化为它们之间的的耦合关系,形成复合粒子或束缚状态。而时空对称性的破缺可能也破坏了正、反粒子间的CPT反演,表现为高速粒子向经典粒子的过渡。3束缚态和经典近似时的状态和性质现在回到反物质的话题,我们可以作一些简单提问:有反物质吗?这个世界存在过反物质吗?人们能造出反物质吗?尽管人们憧憬宇宙中可能会出现一个生动的反物质世界,它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。但我们还是给出一个否定的答案,世界上不存在,也没存在过反物质,人们不可能创造反物质。这个答案看起来很主观,但希望能从道理上把它阐述明白。所谓“反物质”,是从化学上定义的物质,它组成的基本粒子是分子。首先,从宇宙的初期按萨哈罗夫的解释,在大爆炸后最初的瞬间各种粒子在高温、高压下融为一体,不可能形成化学物质。当这种极重的粒子衰变是正、反粒子耦合成光子,剩余的粒子组成物质时,也没有形成反物质的条件,因为此时按萨哈罗夫的解释反粒子已消耗殆尽,更没有条件和理论来说明将正、反粒子分开,各自形成物质世界和反物质世界。从狄拉克的负电子海的模型来说,狄拉克认为正粒子构成的物质世界由反粒子构成真空的背景,即所有的负能态皆为反电子按泡利原理所填满,构成所谓的真空。那么,反粒子构成的反物质世界,所对应真空就应由正粒子(按Pauli原理)所填满。我们可以提这样的问题,两个物质世界所对应的真空背景是不是一个整体,如果是一个整体,如何解释两者的矛盾,如果不是一个整体它们之间的边界是如何化分的。到目前为止,还没有一个有说服力的描述反物质的理论,也没有真正找到一个组成反物质的基本粒子——反分子。尽管科学家制造出了反氢原子,但与反氢分子有本质上的差别,只有反氢分子才是化学物质,而氢原子不能称谓稳定的化学物质,何况反氢原子的性质和特点并没有弄清楚。我们否认反物质的存在,就应该解释反粒子在束缚态和经典近似时的状态和性质。可以从两方面来阐述这个问题。首先,在双曲Minkowski空间中,由于四维时空的对称性引入了64类狄拉克粒子,在大自然中我们很难发现正、反粒子的湮灭,就是两类CPT反演的粒子相碰的几率很小。其次,上文已分析具有相对论效应的运动粒子,其静止质量由两部分构成,一部分为电磁质量,另一部分为机械质量,在对Minkowski空间时空量子化后,粒子的运动速度越大,电磁质量所占的比例越高,正、反粒子湮灭时粒子的静质量转变为光量子能量的比例越大。也就是说,正、反粒子耦合或碰撞在一起并不能全部湮灭产生光能,因为其中的机械质量部分是不能发生质能转变的,它们可能转变为具有静质量的其他类型的粒子,只是在粒子发生质能转变时往往忽视了这部分质量的存