宇宙完美對稱性的突破,可能是一扇通向全新物理學的窗戶!

2021-01-20 科學新知

當宇宙亞原子粒子在鏡子中翻轉時,它們之間幾乎所有的基本反應看起來都是一樣的。在物理學中,鏡像被稱為奇偶校驗,然後被稱為對稱,或者說具有奇偶校驗對稱性。

當然,不是每個人都遵守規則。例如,我們知道,涉及弱核力的反應違反了宇稱對稱性,這對於一大堆其他原因來說也很奇怪。因此,顯然量子世界中的其他力量和粒子也是這一領域的規則破壞者。

物理學家對這些其他假設反應有一些想法,這些反應在鏡子裡看起來不一樣,因此會違反宇稱對稱性。這些奇怪的反應可以指引我們走向新的物理,幫助我們超越粒子物理的標準模型,這是我們目前對亞原子所有事物的總結。

不幸的是,我們永遠也不會在我們的原子粉碎機和實驗室裡看到這些奇怪的反應。這種相互作用太罕見和微弱,無法用我們的儀器來探測,因為我們的儀器被調整到其他種類的相互作用。但是可能會有一些罕見的例外。

奇偶對稱

位於日內瓦附近的世界上最大的原子對撞機——大型強子對撞機(LHC)的研究人員一直在尋找這些罕見的相互作用。到目前為止,他們空手而歸,但即使是這樣的結果也很有啟發性。這些負面結果有助於從考慮中剔除無用的假設,讓物理學家在尋找新物理的過程中關注更有希望的途徑。

所有物理學中最重要的概念之一是對稱性。你甚至可以合理地認為物理學家只是對稱性獵人。對稱性揭示了支配現實最深處運作的基本自然法則。對稱性很重要。

看著鏡子中的過程,叫做奇偶對稱。無論是在你面前還是在鏡子裡,物理學中的大多數亞原子相互作用都會給你一個完全相同的結果。但是有些相互作用違反了這種對稱性,比如弱核力,特別是當中微子是在涉及該力的相互作用中產生的時候。

中微子總是「向後」旋轉(換句話說,它們的旋轉軸指向遠離運動方向的方向),而反中微子則「向前」旋轉(它們的旋轉軸指向正前方,因為它們在周圍飛行)。這意味著,與依賴弱核力的鏡面翻轉實驗相比,常規實驗中產生的中微子和反中微子的數量有非常細微的差異。

弱核力和弱核力本身就違反了對稱性

我們知道超出我們目前理解範圍的物理現象必須存在。其中一些假設的想法和概念也違反了對等的對稱性。例如,這些理論中的一些預測了其他正常相互作用中的微妙不對稱,這些相互作用涉及到LHC通常研究的粒子種類。

當然,這些假設的想法是奇特的、複雜的,很難檢驗。在很多情況下,我們並不確定自己在尋找什麼。

問題是,雖然我們知道我們目前關於粒子世界的概念,叫做標準模型,是不完整的,但我們不知道在哪裡尋找它的替代品。許多物理學家希望LHC能揭示一些東西——一個新粒子,一種新的相互作用,任何東西——來指引我們走向一些新的和令人興奮的東西,但是到目前為止,所有這些研究都失敗了。

許多超越標準模型(如超對稱性)的前領先者理論正在被慢慢排除。這就是奇偶對稱違反可能有用的地方。

幾乎所有標準模型的常見假設擴展都包括這樣的限制,即只有弱核力違反奇偶對稱性。(如果你想知道這是如何工作的,這是模型的基礎數學。)這意味著像超對稱,軸對稱和leptoquarks這樣的概念都會使這種對稱性確切地破壞它的位置,而不是其他地方。

剝離奇偶校驗

因此,一組研究人員在LHC的Compact Muon Solenoid(CMS)實驗中發現的數據緩存中搜索了奇偶校驗違規;他們在4月29日發布給預印本伺服器arXiv的一項研究中詳細描述了他們的結果。這是一個相當棘手的搜索,因為LHC並沒有真正設置為尋找奇偶校驗違規。但研究人員巧妙地通過檢查其他粒子之間相互作用的剩餘物來找到一種方法。

結論:沒有發現違反奇偶校驗的跡象。Hooray為標準模型(再次出現)。雖然這項研究沒有開闢物理學的新領域有點令人失望,但它將有助于澄清未來的研究。如果我們繼續尋找,仍然沒有發現弱核力之外的宇稱違反的證據,那麼我們知道,標準模型之外的任何東西都必須有一些與主流理論相同的數學結構,並且只允許弱核力在鏡子中看起來不同。

相關焦點

  • 宇宙微波背景輻射可能違反奇偶對稱性,新的物理學呼之欲出
    在宇宙誕生後的38萬年時間內,它還是如此炙熱、能量還是如此之高,以至於電子不能被束縛在原子核周圍。這時候的宇宙是不透明的,因為光子會和自由電子進行耦合,光無法透射出來。隨著宇宙的膨脹,溫度慢慢下降、能量也慢慢降低,電子最終被原子核捕獲,這時候它透出了宇宙的第一縷光線。
  • 量子物理從新定義哲學,我們將看見一扇全新的大門!
    一直以來,物理學儘量避免因果律,可是隨著量子物理發展,這一定律要被打破,不僅如此,就連許多哲學問題都將不再困擾我們,比如先有雞還是先有蛋這個已經流傳千年的因果關係問題,在這裡也得到了完美詮釋。要知道因果關係一般都會披上一層神秘外衣,因為你無論從哪個角度去闡述,它都有它存在的道理,可是這一問題如今隨著量子物理發展,它神秘外衣將被揭開,回到最初的問題,古希臘人提出先有雞還是先有蛋這個哲學問題,困擾了我們多年,可是在量子物理學中,雞和蛋是可以同時出現的,也就是兩者沒有先後,可以同時產生。
  • 傳奇人物史蒂芬·沃爾弗拉姆:通向一種新物理學的道路(I)
    傳奇人物史蒂芬·沃爾弗拉姆,最近發表了一系列新的文章著作,闡明他所提倡的新的物理學及其通向這一新的物理學的具體途徑。首先簡要介紹一下這個傳奇人物。史蒂芬·沃爾弗拉姆,英語:Stephen Wolfram,著名計算機科學、數學、理論物理學家。著有多部重要著作,其中所著的《Wolfram語言入門》等書已出版中文版。
  • 物理學家:越來越接近於檢驗我們宇宙潛在的對稱性
    對於物理學有守恆定律和對稱性。例如,自古以來,能量既不能產生也不能破壞的能量守恆定律,在物理學上一直具有指導意義。同樣地,宇稱對稱性表明,為其鏡像切換事件不應影響結果。當物理學家努力理解量子力學的真正奇異規則時,似乎其中某些對稱性並不總是成立。加利福尼亞大學安德魯·傑伊奇(Andrew Jayich)教授致力於研究這些對稱性違規問題,以期闡明新的物理學。
  • 為什麼有人說物理學近100年都沒有重大突破?
    這樣矛盾的答案,小夥伴們肯定是不滿意的,就請大家跟著我的思路一起來回顧一下物理學的發展歷史和近況,一起來感受一下這個問題。一、物理學歷史上的重大突破「長」什麼樣?我們就把牛頓發表《自然哲學的數學原理》作為第一次突破吧。因為這次突破,總結了克卜勒的天文學和伽利略的慣性理論及相對運動理論,第一次,用牛頓三個定律,把地面物體和天體運行聯繫起來。
  • 黑洞真的是通向其它宇宙的大門嗎?
    黑洞是宇宙中最最神秘的天體!因為黑洞質量很大體積卻很小,所以引力也非常大,連光都不能抵擋其強大的引力,只能被壓縮在黑洞內部,以致於肉眼根本無法觀察到黑洞的存在,所以才叫做黑洞。愛因斯坦曾預言過,黑洞時穿梭宇宙的鑰匙,真的是這樣嗎?
  • 探索基本對稱性的新方法
    生物學有進化論,地質學有板塊構造學,而物理學則有守恆定律和對稱性。例如,我們熟悉的能量守恆定律告訴我們能量是守恆的——它既不能被創造也不能被毀滅;宇稱對稱告訴我們,真實世界中的物理過程與它們在鏡像世界中遵循相同的物理學定律。
  • 引力波觀測的意義:為認識宇宙打開一扇新窗口
    三位科學家因為發起並領導Ligo(雷射幹涉引力波天文臺)項目,並因將理論及實驗物理學應用於宇宙研究領域做出的貢獻而受到表彰。不過可惜的是,引力波探測的先驅、Ligo創始人之一的加州理工學院教授德雷福(Ronald W.P. Drever)今年3月在愛丁堡辭世,享年85歲,未能等到這一科學界的最高獎項。
  • 物理學的基本定律:利用超冷原子,構建出量子電動力學的對稱性
    物理學的基本定律建立在對稱性的基礎上,對稱性決定了帶電粒子之間的相互作用等等。現在,海德堡大學(Heidelberg University)科學家利用超冷原子實驗構建了量子電動力學的對稱性,他們希望為實現未來可以模擬複雜物理現象的量子技術獲得新見解,研究成果發表在《科學》期刊上。量子電動力學理論研究電子和輕粒子之間的電磁相互作用,它基於所謂的U(1)對稱性。
  • 引力波探測團隊榮獲基礎物理學特別突破獎
    2013年特別突破獎獲得者史蒂芬-霍金 (Stephen Hawking) 表示:「這一發現有著巨大的意義:首先是為廣義相對論和其對黑洞相互作用的預測提供了證據,其次,作為一個新天文學的開始,將通過不同的媒介揭示宇宙奧秘。LIGO 團隊獲得特別突破獎實至名歸。」
  • 「新物理學」在希格斯粒子發現中開啟?
    科學家的一種滿懷熱情的希望,即:在不久的將來通過發現希格斯粒子來開啟一扇物理學新研究領域的大門,已經逐漸地消退了。還在去年夏天的時候,科學家捕獲到了一種新的粒子,這種粒子的特性指向他們長期以來尋找的希格斯粒子,科學家們在興高採烈之際,希望很快地開啟一扇通往新物理學的大門,創新物理學的領域和途徑,就像如日中天的「玄理論」在物理學和宇宙學中的影響一樣,然而形成大爆炸之後宇宙物質來源的基本粒子還存在諸多的疑問,就在上一周,科學家這種希望的熱情遭受冷遇。
  • 物理學快100年沒有重大突破,人類科學被高等文明「限制」了?
    在今天,神學已經全面沒落,科學帶領人類走進了全新的世界。無數驚才絕豔的科學家出現,戰勝了一個又一個科學難題,但是在整個時代的大背景下,推動人類科學理論發展的總是一些天才,例如,愛因斯坦,薛丁格,普朗克等等上個世紀的科學家,可以看出來物理學是天才的遊戲。
  • 從天而降半扇窗戶,你說怕不怕!
    01 從天而降的窗戶嚇死人 住在翠崗小區的胡大媽,前兩天從小區門口走的,聽到咣的一聲,就順著這個聲音看過去,把她嚇了一大跳。
  • 三體問題可能改變物理學的基本本質
    我們的宇宙是由因果驅動的,現在發生的事會直接導致以後發生的事,正因為如此,宇宙中的許多事物都是可以預測的。我們可以預測什麼時候會發生日食,或者如何發射火箭將太空飛行器送往火星。反過來也一樣。通過觀察現在發生的事件,我們可以回顧過去,了解過去發生了什麼。例如,我們可以觀察今天的星系運動,知道宇宙曾經處於我們稱之為大爆炸的熱緻密狀態。
  • 宇宙中的「流氓行星」,比銀河系的恆星還要多
    據美國「物理學組織」網站近日刊文稱,《天文學雜誌》日前公布的最新研究結果顯示,美國國家航空航天局(NASA)即將開展的一項探測任務可能會發現,飄浮在太空中、卻不繞恆星運行的「流氓行星」比銀河系中恆星的數量還要多。研究人員計算得出,NASA即將發射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡(NGRST)可能會在銀河系中發現數百顆自由行星。
  • 宇宙中「流氓行星」的數量或超過銀河系的恆星
    據美國「物理學組織」網站近日刊文稱,《天文學雜誌》日前公布的最新研究結果顯示,美國國家航空航天局(NASA)即將開展的一項探測任務可能會發現,飄浮在太空中、卻不繞恆星運行的「流氓行星」比銀河系中恆星的數量還要多。研究人員計算得出,NASA即將發射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡(NGRST)可能會在銀河系中發現數百顆自由行星。
  • 中國科學家吳嶽良發表物理學終極理論論文,為愛因斯坦之謎打開新窗口
    據中科院官方網站報導,中國科學院院士吳嶽良在物理學大統一理論上實現重要突破。 報導稱,吳嶽良在揭秘愛因斯坦統一場論的研究中取得突破,創建了超統一場論(hyperunified field theory)。
  • 2020年,十大物理學突破
    這是個極其複雜的問題,問題的根源要追溯回約138億年前,在大爆炸後不久,理論上宇宙中的所有物質與所有反物質應當全部湮滅化為能量。但這顯然沒有發生,否則也就不會有恆星、行星和星系,更不會有生命以及人類存在了。但究竟是什麼使早期宇宙中的物質和反物質出現了輕微的不對稱?
  • 《物理快報B》:宇宙可能位於蟲洞內部
    這是宇宙物理學關於宇宙起源的主流理論,現在宇宙物理學的幾乎所有研究都與宇宙大爆炸理論有關,或者是它的延伸。但是,大爆炸理論無法回答我們的宇宙在大爆炸發生之前到底是什麼樣子。 據物理學家組織網與《科學》(Science)雜誌在線版近日報導,美國印第安納大學的理論物理學家研究發現,我們的宇宙可能自大爆炸之前,一直處於兩個宇宙相連接的時空管道,即一個蟲洞的內部。該篇論文刊登於4月12日出版的物理學著名學術期刊《物理快報B》(Physics Letters B)上。