Почему предполагается, что при Большом взрыве образовалось равное количество материи и антиматерии?

Хорошо известно, что главный открытый вопрос в физике заключается в том, почему Вселенная кажется почти полностью состоящей из материи и почти без антиматерии, несмотря на то, что в стандартной модели они строго симметричны. Я знаю, что это каким-то образом связано с нарушением CP-симметрии. Когда я его исследую, мне в первых же предложениях постоянно говорят что-то вроде «сначала материи было столько же, сколько антиматерии». Но почему? Что никогда не объясняется ни в моих учебных материалах, ни в каком-либо другом популярном подходе к этому вопросу, так это почему предполагается, что Большой взрыв в первую очередь приведет к соотношению 50 на 50, что затем потребует какого-то другого, пока еще неизвестного . механизм для создания избытка обычной материи и нарушения симметрии.

Вот чего я не понимаю: раз уж мы обсуждаем граничные условия Вселенной, то почему нельзя было задать произвольно начальное соотношение? На самом деле, мы уже наблюдаем недостаток антиматерии, так что не будет ли Вселенная, которая с самого начала всегда состояла в основном из материи, была бы более экономным предположением? Короче говоря, какая часть теоретической основы стандартной модели заставляет нас ожидать, что ранняя Вселенная была симметричной по своему содержанию, а не просто содержала избыток материи «потому что это так»?

(Кроме того, да, «потому что это так» — разочаровывающий ответ на любое научное исследование, но в конечном итоге он должен свестись к нему. Концептуально идеально сбалансированная Вселенная привлекательна из-за простоты и элегантности математики, лежащей в основе она есть, но мы уже знаем из самого факта своего существования, что она не может быть совершенно симметричной, иначе она будет пустой и неизменной. Какая разница, если мы эту асимметрию положим в граничные условия вместо физических законов?)

Кроме того, в наивном мысленном эксперименте со многими мирами мне кажется, что, поскольку Вселенная имеет гигантские, но неизвестные размеры, а исходное количество материи до аннигиляции также неизвестно, почти любое начальное соотношение, за исключением почти идеального баланса, привело бы к во Вселенной, состоящей в основном из материи (если бы победила антиматерия, у нас была бы просто перевернутая терминология), с ужасающе малой альтернативой, являющейся пустой Вселенной. Так что это даже не похоже на тонкую настройку. Результат идеальной симметрии был бы гораздо более «маловероятным». Я предполагаю, что в этой линии рассуждений, конечно, есть изъян, но мне он неясен. Может ли кто-нибудь с более глубоким пониманием области указать на это, пожалуйста?

Я понимаю, что это очень амбициозный вопрос, поэтому, пожалуйста, простите меня, если он выходит за рамки моих возможностей. Чтобы дать вам представление о моем уровне, я примерно эквивалентен степени магистра физики, поэтому я понимаю основы стандартной модели и некоторые принципы объединения высших энергий, но я не изучал ни один из альтернативных методов. теории.

В качестве нематематического объяснения обычно предполагалось, что в КТП сохраняется C-симметрия или зарядовая симметрия. Это означает, что если бы мы создали вселенную, состоящую только из материи, и вселенную, состоящую только из антиматерии, они эволюционировали бы одинаково; система была бы инвариантна к этому. Это подразумевало бы, что эволюционируя из некоторого базового состояния (неизвестного состояния материи в очень-очень ранней Вселенной), не существовало предпочтения материи или антиматерии, подразумевая вселенную 50/50. Однако это, очевидно, не так.
@Stoby Карандаш, стоящий на вершине, может упасть вправо или влево без каких-либо предпочтений. Эта инвариантность не означает, что карандаш в конечном итоге падает в обе стороны одновременно.
@DiracDelta « Вселенная, кажется, почти полностью состоит из материи, почти без антиматерии » - это не совсем точно, потому что нет определения, по которому материя отличается от антиматерии. Например, ничто не мешает нам объявить все положительные элементарные частицы «материей», а все отрицательные — «антиматерией». Тогда все электроны являются антивеществом без противоречия. Если вы также предполагаете, что все кварки состоят из трех частиц, то количество материи и антиматерии во Вселенной одинаково, просто они расположены по-разному: en.wikipedia.org/wiki/Rishon_model
@safesphere конечно, это правда, но вселенная не карандаш, по аналогии, мы могли бы представить ее как миллиарды карандашей, стоящих дыбом, и в этом случае статистика их падения даст соотношение 50/50 (при условии, что двухуровневый механизм падения).
@Stoby Я хочу сказать, что вы делаете неявное предположение, которое не оправдано как данность и, таким образом, представляет собой недостающий шаг в вашей логике. Вы предполагаете, что создание каждой частицы как частицы или античастицы — это независимый процесс, в отличие от какой-то неизвестной лежащей в основе симметрии, управляющей созданием всех частиц в начальный момент. Также деление частиц на «частицы» и «античастицы» условно и делается просто на основе экспериментального факта их распространенности. Ничто не мешает нам рассматривать электроны как «античастицы», а позитроны как «частицы».
@safesphere Я думаю, что мы, вероятно, согласны с большим, чем не согласны здесь 😂, я просто утверждаю, что без каких-либо условий, обеспечивающих асимметрию, они должны существовать в симметричных количествах. Очевидно, это не так, поэтому такое условие должно существовать. Конечно, названия античастица и частица произвольны, но это вопрос семантики, а не науки.
Видимая симметрия могла быть нарушена, если наша Вселенная локальна, то есть причинно отделена от других локальных вселенных, как это предлагается в таких моделях мультивселенной, как основанная на черных дырах «космология с кручением» Поплавского (описанная во многих статьях с 2010 года). Используя теорию Эйнштейна-Картана (которая требует пространственной протяженности для фермионов), в сочетании с разделением партнеров в виртуальных парах фермион/антифермион горизонтом любой вращающейся звезды, схлопывающейся под действием гравитации, их взаимодействие с более крупными звездными фермионами приводит к вращению внутренних партнеров. таких пар наружу, чтобы сформировать любой такой LU.
Я проголосовал за ответ Кайла Омана, так как он кажется совместимым с моим предыдущим комментарием и добавляет более сложную информацию. Что касается самого комментария, у меня была проблема с тем, чтобы обойти видение пар частица/античастица, делающих что-либо, кроме сближения для их взаимной аннигиляции, но, на самом деле, я думаю, что они могут быть разделены любым расстоянием, и, на самом деле , космология Поплавского, кажется, предполагает, возможно, последовательность прошлых и будущих вечных LU в уменьшающихся масштабах пространства и времени.
physics.stackexchange.com/questions/556528/… Это может ответить на ваш вопрос.

Ответы (2)

Самая сильная мотивация изначально равного количества материи и антиматерии на самом деле исходит не из стандартной модели, а из космологии — во Вселенной существует ошеломляюще большое количество фотонов по сравнению с барионами. 1 . К такому выводу можно прийти несколькими способами. Один из них — посмотреть на космический микроволновый фон, который вносит наибольший вклад в общую плотность фотонов во Вселенной. Он имеет плотность энергии около 0,25 е В с м − 3 , что получается примерно н γ "=" 500 п час о т о н с м − 3 . Сравните это с плотностью барионной энергии около 240 е В с м − 3 , который работает на н б а р "=" 2,6 × 10 − 7 п р о т о н с м − 3 . Поэтому существует около н γ / н б а р ∼ 2 × 10 9 п час о т о н б а р у о н − 1 .

Аргумент состоит в том, что в ранние времена было почти равное количество материи и антиматерии, большая часть которых (за исключением примерно одной части на миллиард) аннигилировала в фотоны. Это либо приводит к проблеме тонкой настройки - почему 10 − 9 избыток материи над антиматерией в начальных условиях? - или вместо этого вы можете попробовать вызвать СР-асимметричный процесс, чтобы нарушить исходную симметрию материи/антиматерии. Большинству физиков и космологов удобнее второй вариант; мы, как правило, очень отклоняемся от тонкой настройки.

1 Я использую здесь астрономический барион, который представляет собой расплывчатый термин, охватывающий более или менее всю нерелятивистскую материю (в основном атомы, лептоны), но не (космологическую) темную материю, нейтрино или фотоны.
Спасибо! Я не знал об этом наблюдении. Я не ожидал, что будут доказательства наблюдений, но вполне логично, что избыточные фотоны будут исходить от аннигиляции, учитывая, что единственные другие способы, которые я могу придумать, включают взаимодействие с короткодействующими, короткоживущими бозонами, которые будут быстро подавлены расширение пространства-времени.
Я только что понял, что забыл пометить этот ответ как принятый тогда, так что я иду. Еще раз спасибо.

Математический смысл сингулярности состоит в том, что мы не можем определить математические величины. Поскольку мы не можем определить математические величины, мы не имеем представления о физике исходной сингулярности. Следовательно, все, что мы предполагаем, является спекуляцией. Мы не можем знать, была ли Вселенная создана из ничего, и если да, то была ли она создана с дисбалансом материи и антиматерии, или было ли что-то до начальной сингулярности, что привело к дисбалансу материи и антиматерии.

Из-за очень высоких энергий и плотностей сразу после начальной сингулярности мы знаем, что материя и антиматерия существовали почти в равных количествах, и мы знаем, что после ее аннигиляции осталась небольшая часть материи. Мы не знаем, как это произошло.

Мы можем, однако, сделать предположения и попытаться вывести, каким будет вывод из этих предположений. Такие предположения не являются научной теорией, это гипотезы, которые мы можем попытаться проверить.

Одно из предположений состоит в том, что материя и антиматерия должны были быть созданы из ничего в абсолютно равных количествах. С этим предположением связан ряд проблем, но оно имеет то достоинство, что оно согласуется с тем, что мы знаем о создании пар. С другой стороны, он нарушает любую форму сохранения энергии, которую мы можем разумно сформулировать, и требует постулирования некоего ненаблюдаемого физического процесса для объяснения дисбаланса материи и антиматерии, хотя, по крайней мере на первый взгляд, такой процесс нарушил бы общий принцип относительности. что законы физики везде одинаковы.

Лично мне такое предположение не нравится. Я предпочитаю думать, что Большой взрыв произошел из какого-то более раннего, неизвестного состояния (возможно, циклической Вселенной, хотя это требует объяснения того, почему наблюдаемые космологические параметры не соответствуют циклической Вселенной).

Какое бы предположение ни было выбрано, следует понимать, что это всего лишь предположение, предположение, не подкрепленное доказательствами. Следовательно, следует быть готовым отказаться от него, если обнаружатся доказательства обратного. Все, что я хотел бы сказать, это то, что если автор представляет спекулятивное предположение, как если бы это была признанная наука, вы должны немедленно не доверять научному суждению этого автора.

@safesphere, я не нахожу аргументы в пользу бесконечной вселенной убедительными, arxiv.org/abs/1603.02568 , и склонен думать либо о конечной циклической вселенной, либо, что более спекулятивно, о пространстве-времени, созданном из предшествующего состояния. материи-антиматерии, в создании которой участвовало меньше антиматерии. Хотя невозможно определить глобальное время для такого состояния, я думаю, что собственное время — это свойство отдельных частиц, отраженное на временных линиях частиц, видимых на диаграммах Фейнмана. Однако здесь очень сложно обсуждать такие вещи.
Без постулирования чего-либо за пределами известной физики, при энергиях ранее, чем примерно 1 секунда, будет происходить спонтанное образование пар. Перед примерно 10 − 10 сек (представляющие энергии, достижимые в ускорителях) должно быть примерно равное количество материи и антиматерии.
Согласен, что абсолютная разность фиксирована, но у меня нет проблем с метрикой Фридмана в качестве первого приближения (см. ссылку выше), при условии, что вообще имеет смысл указывать метрику, которая не может быть истинной вблизи сингулярности. . На самом деле я не согласен с тем, что КТП предполагает плоское пространство-время или вообще любое пространство-время. Я считаю пространство-время эмерджентным, а лежащую в его основе структуру, описанную на диаграммах Фейнмана, фундаментальной. В своих книгах и в «Математических следствиях реляционизма» я стремлюсь сохранить эту структуру, когда пространство-время теряет смысл.
Почему предполагается, что при Большом взрыве образовалось равное количество материи и антиматерии?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v