Only Perception: 大霹靂有可能是反物質變成物質的快速轉換嗎？

2011-07-20

大霹靂有可能是反物質變成物質的快速轉換嗎？

Could the Big Bang have been a quick conversion of antimatter into matter?
http://www.physorg.com/news/2011-07-big-quick-conversion-antimatter.html

By Lisa Zyga, July 19, 2011

(PhysOrg.com) -- 假設在某一時刻宇宙停止了擴張，自己反而開始收縮（如同在「大收縮（Big Crunch）」中的情節），且終將變成超重黑洞。這個黑洞的極端質量產生了極端強大的重力場。透過所謂 Schwinger mechanism（史瓦西機制、施溫格機制，下文皆用原文表示）的重力版本，這種重力場自周遭的量子真空將虛（virtual）粒子／虛反粒子對轉換成實（real）粒子／實反粒子對。如果黑洞是由物質（反物質）所構成，那能在不到一秒鐘的時間內，將無數反粒子（粒子）驅逐（repel）到太空中，創造出一起「噴射（ejection）」事件，那看起來將十分類似大霹靂（Big Bang）。

Dragan Slavkov Hajdukovic -- 一位來自 Montenegro（譯註：2006年自南斯拉夫聯邦共和國獨立），Cetinje 的物理學家，目前在瑞士日內瓦的 CERN 工作 -- 強調，他並不知道這件事在 137 億年前是否曾發生過。不過，在一項最近發表在 Astrophysics and Space Science 期刊的研究中，他已描述一種機制，那能將物質轉換成反物質（反之亦然），那導致一種循環的宇宙，依序由物質與反物質所主宰。在這種情節中，當物質所主宰的宇宙收縮時，一個由反物質所主宰的宇宙浮現，而這個循環將無限期持續。

循環的宇宙

循環宇宙（cyclic universe）的論調並不新穎。如同 Hajdukovic 其論文中所提，在 1922 年，宇宙學家 Alexander Friedmann 就注意到愛因斯坦的廣義相對論與一種循環的宇宙架構相容。最近，循環模型已包含環圈量子重力（loop quantum gravity）膜世界（braneworld）理論，以及其他「大反彈（Big Bounce）」模型。然而，不同於 Hajdukovic 的情節，在這些理論裡，所有的循環都由物質所主宰。如同 Hajdukovic 的解釋，他並沒有提出一個新的循環宇宙模型，而是一種機制，在理論上那能允許由物質所主宰的宇宙轉換到由反物質所主宰的宇宙，反之亦然。

一開始，此機制必須允許從量子真空中創造出粒子／反粒子對。雖然量子真空完全沒有粒子或任何其他東西，不過，這裡的確存有短命的虛粒子／虛反粒子對，它們突然出現隨即消失無蹤，如同測不準原理（uncertainty principle，不確定性原理）所允許的。為了解釋這些虛粒子／虛反粒子對如何能變成真實的，Hajdukovic 轉向 Schwinger mechanism，那提到，當電場比某一臨界點還強時，能從量子真空中創造出實電子／正電子對。他提到，在 Schwinger mechanism 的重力版本中，重力能從虛粒子中創造出帶電荷的以及中性的粒子／反粒子對。

此機制亦依賴一種假說：物質與反物質彼此互斥。這種排斥可以是重力起源（gravitational origin，如同反重力的點子所提到的）或非重力起源。在此，Hajdukovic 想像有某種物質／反物質的排斥存在，那只有在短距離時才會顯著；尤其是在黑洞的事相面（event horizon）中，或小於 Schwarzschild 半徑。很快地，在重力版 Schwinger mechanism 製造粒子／反粒子對之後，斥力將導致黑洞開始猛烈噴出相反的力子類型。其結果將會是在非常短的時間內（端賴黑洞的大小），把所有的物質轉換反物質（反之亦然）。透過計算，Hajdukovic 證明，在一秒內，能被轉換成反物質（或在相反的狀況下）的物質總量可達 10^128 公斤，那比整個宇宙的質量（大約 10^53 公斤）還要大了幾個數量級。如果正確的話，那將意味著，宇宙中所有的物質能在幾分之一的普朗克時間（Planck time）內被轉換成反物質。

這樣的情節將有多重影響。其一，那能避免宇宙收縮成一個奇點（singularity），因為所需最小尺寸比普朗克長度（Planck length）大了約 40 個數量級（即「公里」級）。在宇宙級的暴漲後，這種大小的宇宙指出，在標準宇宙學中的暴漲以及在那之前的每樣東西（例如數值相變，numerous phase transitions）「從未存在過」。

此種情節對物質／反物質不對稱亦提供了一個簡單的解釋：我們當今宇宙是由物質而非反物質所主宰的原因是，「先前的宇宙是由反物質所主宰」。而下個宇宙，再一次，將由反物質所主宰。

在標準宇宙學之外

不管此情節是否精確，Hajdukovic 解釋，有別於宇宙學標準模型（那加諸了限制）之外的研究很重要。

"顯然，我們最棒的物理學（愛因斯坦的廣義相對論以及粒子物理學的標準模型）足以解釋在天文物理與宇宙學中所觀察到的一系列現象，" 他說。"除了完善建立的物理學之外，宇宙學的標準模型假定 (a) 存在一種神祕的暗物質與暗能量，那代表宇宙中 95% 以上的內容物，以及 (b) 存有二種（未知的自然）機制來確保原始宇宙中的暴漲與物質／反物質不對稱。因此，標準宇宙論所根基的物理學其假設部份多於已確立的。那是一種令人非常不滿的情況。"

"我的研究則與之相反，是試圖在已確立的物理學中理解天文學與宇宙現象，而沒有為了暴漲以及物質／反物質不對稱，調用未知形態的物質／能量以及未知的機制。"

在其他一些新近報告中，Hajdukovic 已證明，以這種方式理解宇宙或許真有可能。例如，在他題為「Is dark matter an illusion created by the gravitational polarisation of the quantum vacuum（暗物質是一種由量子真空的重力極化，gravitational polarisation，所創造出來的錯覺嗎？）」的論文中，他獲得一個「驚人的等式」，與觀測相符且沒有調用暗物質。

他補充表示，要測試這些構想的其中一種基本要素，此即，偵測物質與反物質間的重力排斥（gravitational repulsion）特徵，是有可能的。最直接的測試是 CERN 的 AEGIS 實驗，那是測試反青在地球重力場中的重力加速度。另一項測驗可能來自南極的 Ice Cube Neutrino 望遠鏡，那能觀察來自銀河系與 Andromeda 星系中央之超重黑洞的反微中子。

"如果你問我，理解宇宙的關鍵是什麼，我會說，量子真空加上（目前仍是假說的）物質與反物質間的重力排斥，" Hajdukovic 說。"一個簡單的關鍵，而非標準宇宙學中四個神祕的關鍵。我的答案也許是錯的，不過如果那是對的，那將會顛覆理論物理學、天文物理學以及宇宙學。"

※ 相關報導：

＊ Do we live in the universe successively dominated by matter and antimatter?
http://www.springerlink.com/content/m731471612783281/