物理学史上最大的谜团，反物质失踪案件，所有反物质在哪里？
保罗·狄拉克因发展了其以自己命名的电子方程而著名，他在其中预言了反物质的存在。这个方程预测了一种与电子电荷相反的神秘粒子。他提出当时他所知道的唯一带正电的粒子是质子，但结果却是正电子，即电子的反粒子。该方程对这些粒子呈现出对称性，表明在物质与反物质之间不存在任何区分性特征，使得一者相较于另一者更为重要或更为普遍。这就引出了一个问题：宇宙中所有的失踪反物质在哪里？这个问题有一个名称：重子不对称性（baryon asymmetry），它是粒子物理学和宇宙学中的一个主要未解之谜。一些人猜测，失踪的反物质是由于宇宙中的某种不对称性所致。其他人则认为，我们的宇宙必定有一个反物质宇宙的孪生兄弟，在某处存在。也许反物质就在可观测宇宙的边缘之外。也许反物质受到物质的引力排斥，因此远离物质，但在某处可能有整个的反物质恒星和行星。我怀疑我们看不到反物质的原因实际上比这更简单、更直观，但要理解答案，你必须了解一些关于反物质的事情，它是什么，以及它与物质的关系。首先，每个粒子都有一个反物质对应物。对于某些粒子，如光子，其对应物就是其本身。对于其他粒子，如电子，其对应物——正电子，只在粒子加速器和宇宙射线中被看到，高能量会从其他粒子中创造它们。基本粒子，意味着就我们所知，不能被细分为更小的组成粒子，包括电子、正电子和物质及反物质的夸克。这些是最基本的费米子例子，费米子是具有1/2倍数自旋的粒子。据我们所知，费米子绝不会是其自身的反粒子。然而，马约拉纳提出了理论，暗示这种情况有可能存在。我们一直在追寻马约拉纳费米子的踪迹。每个粒子都有一个自旋，这是角动量的量子版本。粒子不像陀螺那样旋转。相反，它们以离散的量拥有角动量，以0、1或1/2的倍数出现。自旋是带电粒子产生磁场的关键因素。当固体内部的自旋进行有序排列时，便会产生类似于永磁体的独特现象。顺便说一句：一种理解自旋的方式是作为一种对称性。如果一个粒子的自旋为1，这意味着它具有一次完整旋转的旋转对称性。例如，我的办公椅具有360度的对称性，所以如果我旋转它一次，它看起来是相同的。如果某物的自旋为2，如假设的引力子，则它具有180度的对称性。我的椭圆形桌子具有180度的对称性。一个自旋为4的粒子将具有90度的对称性，就像一个方形桌子。另一方面，自旋为0的粒子就像一个无特征的球体。它从任何旋转角度看起来都是相同的。自旋1/2具有720度的对称性，意味着你必须旋转两次才能看起来相同。我可以用所谓的盘子技巧来演示这种对称性。你可以在家中亲自尝试以下这个实验：将一个盘子平稳地放在你面前的手掌上。接下来，努力保持盘子不掉落或不让手掌相对于盘子改变方向，仅利用你的肘部、腕部和肩膀，将你的手旋转360度，使盘子恢复到起始的位置和方向。在此过程中，你需要让盘子经过你的肩部上方或下方，你会发现此时你的手臂已经扭曲。然后再进行一次，但这次让盘子通过与第一次相反的路径（如果之前是上方，现在就是下方；反之亦然）。完成后，你会发现你的手臂已经恢复到未扭曲的状态。原子主要构成于费米子，其部分质量或能量源自于非实体粒子的结合力。因此，当我们探讨反物质失踪的议题时，实质上我们关注的是寻找那些与我们熟悉且珍视的物质原子相对应的缺失反物质原子。在物理学中，物质和反物质通过一种称为电荷-宇称-时间（CPT）对称性的对称性相关联。我们知道，对于一个给定的带电物质粒子，如电子，其反物质对应物将具有相反的正电荷。这就是为什么我们称它们为正电子。宇称变换意味着在一个或多个空间维度中取一个粒子的镜像。大质量费米子在单独的宇称变换下不是对称的。另一个说法是，它们没有手性对称性。这意味着有左手和右手的电子。我们之所以不经常听说这个，是因为除了与弱相互作用（负责放射性衰变）有关外，它们的行为没有不同。在普通的电磁学中，它们彼此之间没有区别。宇称是物理学中的一个概念，用于描述物理系统在空间反演（即镜像变换）下的对称性。它是量子力学和粒子物理学中的一个重要概念，尤其在研究基本粒子的行为和宇宙学中扮演着关键角色。当我们对一个物理系统进行宇称变换时，我们实际上是将所有的空间坐标点 (x,y,z) 转换为 (−x,−y,−z)。在这种变换下，如果系统的物理性质保持不变，则称该系统具有宇称守恒。如果物理性质发生改变，则称宇称不守恒。
第三个对称性是时间，也就是时间反转。这实际上像是时间的宇称，所以不是粒子从过去传播到未来，而是有粒子从未来传播到过去。如果你反转（reverse）一个粒子的电荷，你得到它的反粒子，但如果你也反转宇称和时间，你又得到了原来的粒子。这很有趣，因为如果你知道正电子仅仅是在宇称和时间下反转的电子，那么从物理上讲，正电子和一个向后时间旅行的电子没有区别。高能粒子碰撞，如你在粒子加速器中发现的，会成对创造粒子和反粒子。你甚至可以使用足够强大的激光来创造它们，实际上是从虚无中产生它们。一旦创建，电子和正电子会稍微分开一点，然后，因为它们相互间的电磁吸引，再次回落在一起。当它们相撞时，它们会产生一对光子，即光。如果你在所谓的时空图上画出这个看起来像什么？时空图是一个空间为水平轴、时间为垂直轴的图表，你会发现它看起来像一个圈。由于正电子只是一个向后时间旅行的电子，因此，它看起来不是有两个粒子，而是只有一个在空间和时间中移动形成一个闭环的粒子。这将对我即将提出的关于所有那些反物质在哪里的论点很重要。在大爆炸期间，我们会预期创造出等量的物质和反物质。粒子物理学的标准模型在这两者方面是对称的。- 存在我们不知道的、超出粒子物理学标准模型的不对称性。
超出标准模型的一些想法引入了不对称性。其中最突出的涉及重中微子，这些是比我们已知的具有更大质量的中微子。重马约拉纳中微子是其自身的反物质但同时具有质量。这些中微子在大爆炸初期会很快衰变，从而在物质和反物质之间创造出不对称性。重中微子也是暗物质的候选者，如果它们被发现，将是重大的。一些更具想象力的想法提出，大爆炸实际上产生了两个宇宙，一个从大爆炸向未来传播，另一个向过去传播。这利用了物质和反物质之间的CPT对称性联系。我的自己的想法实际上比这更简单，并不需要对标准模型进行任何修改，也不需要额外的宇宙或任何反物质在某处。相反，它依赖于一个已经使用了2000年的数学变换。它被称为立体投影（stereographic projection）。简而言之，它是一种从一个平坦的无限平面到一个有限球体的投影方式，反之亦然。它可以在1维中完成，在这种情况下，它是从一条线到一个圆，或者在更高维度中，虽然无法直观看到，但数学检验是成立的。- 平面上的每个点都唯一对应到球体上的一个点，包括无限远点对应到北极。
如果你想象我之前谈到的时空图，你可以将它映射到球体上。在这种情况下，无限远的时间和空间都映射到球体上的一个点：北极。如果我把我之前在时空图上的电子-正电子对的创建和湮灭圈映射到球体上，它在球体上也会是一个圆。但是，如果我只是取一个从无限过去到无限未来在时空图上任何空间方向上传播的电子，那也会映射到球体上的一个圆。只是，它的圆会通过北极。换句话说，粒子对的创建和湮灭中出现的物质和反物质之间的表观对称性，实际上在球体上对于单独的物质仍然存在，前提是这些物质不是来自于过去有限距离的创建事件。我们没有观察到反粒子是因为粒子从未在时空平面上回溯时间。这个“圆”的曲率半径是无限的。或者，您可以通过启动一个粒子对的创建/湮灭循环，并将这些创建和湮灭事件推移到无穷远的过去和未来来达成此目的。同时，将循环中的反物质部分移至无限远之处。在这种极端情况下，反物质便会消失不见。请记住，在这两种情况下，无论是有限的创建和湮灭对，还是在大爆炸中形成的普通粒子，粒子和反粒子是同一个粒子，我们只是在它们在时空中的圆形轨迹的不同点上观察它们。现在，如果粒子实际上是在大爆炸中创建的，这可能是个问题，因为大爆炸是在一段有限的时间前发生的，但我们并不是精确地这么说。我们所知道的是，大约138亿年前，存在一个热密的时期。我们真的不知道在那之前是什么。请记住，我们的时空平面不是静态的，而是在空间中伸展，也许在时间中也是如此，所以大爆炸可能实质上是在过去的无限时间距离。（例如，这是以撒·阿西莫夫推广的对数时间的一个特征。）为了证明这个概念，我们需要对大爆炸以及物质，特别是费米子，如何从中产生了解更多。但如果正确的话，那么我们可能永远也不会从粒子加速器得到为什么宇宙中的物质比反物质多的答案，因为你需要处于时间的开始（或结束）才能找出答案。
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