教育是人类社会的一个大课题。在我看来，人类有别于其他生物的两个最重要的活动就是教育和创新（Education and Innovation）。而这两项活动是紧密联系在一起的，也是保证人类社会持续的传承和发展的基本方式。
在我的一篇英文博文中（A dream world and society），我曾经就教育和创新在构建开放的理想社会理念里所起到的决定意义进行了较深入的讨论。这里我将对这一想法作进一步梳理并用我的母语中文来展现给大家。
Continue reading “教育的目的和意义”Category: 中文博文
引力的本质和来源
历史上人们对引力的理解经历了两次重大的飞跃。第一次是牛顿的万有引力定律，引力作为一个普适的物理规律被理解为作用于所有物体之间，特别是宇宙中无处不在的奇妙的天体之间。第二次是爱因斯坦从第一性原理出发创立了广义相对论，把引力重新理解为4维时空的几何现象。然而 Penrose 和 Hawking 在六、七十年代证明了广义相对论将不可避免地导致时空奇点（比如黑洞）的产生，预示着广义相对论在极端时空条件下的失效。
Continue reading “引力的本质和来源”镜像世界探秘11——CP和镜像对称破缺之谜与不可见粒子衰变的探测
量子场论里有一个著名的 CPT 定理，即洛伦兹协变的定域量子场论在电荷共轭 C（charge-conjugation）、宇称 P（parity）、和时间反演 T（time reversal）的共同变换下保持不变。杨振宁和李政道在1956年的论文以及吴健雄随后的 Co-60 的衰变实验首先预言和证实了弱作用里的宇称不守恒。不到十年后，在中性 K0 介子的衰变中又发现了 CP 也是不守恒的。根据 CPT 定理，这意味着时间反演 T 也是不守恒的。
在最新的镜像物质理论（Mirror Matter Theory），特别是系列超对称镜像模型（supersymmetric mirror models）中，我们知道了一个更基本的分立对称性，即镜像对称（mirror symmetry）或时空流形的定向对称（orientation symmetry）。在一维时间流形下，镜像对称同时也是时间反演对称，并成为了宇宙涌现（emerge）的第一个对称性，紧接着它的破缺导致了时间箭头的诞生。
镜像世界探秘10——万有引力和黑洞之谜
万有引力的研究几乎和现代自然科学有一样长的历史。早在18世纪在牛顿的引力理论框架下，Laplace 和 Michell 就曾讨论过当天体质量足够大时光也无法逃逸-从而提出了黑洞的概念。在爱因斯坦建立了现代的引力作为时空几何的理论-广义相对论不久，Schwarzschild 就从爱因斯坦方程获得了第一个现代的黑洞解。
镜像世界探秘9——第一性原理
第一性原理（first principles）一直是科学研究所尊崇的基本方法。在科学的各个领域里都不乏第一性原理的应用。例如，自然选择就是生物学里的进化论的第一性原理。而数学上，一套公理体系就扮演着某一分支的第一性原理的角色，最著名的莫过于欧几里德几何的第五或平行公设。
在物理上第一性原理就更不可或缺。比如牛顿经典力学的基础就是牛顿的运动定律，更现代的表述是经典的变分或作用量原理。经典电磁理论由麦克斯韦方程（Maxwell’s equations）决定，而更新的理解就是 U(1) 规范对称原理。
镜像世界探秘8——大统一理论、时间箭头和宇宙大爆炸之谜
现代物理的两大支柱理论-爱因斯坦的广义相对论和一大批物理精英共同发展的量子理论已经有一百多年的历史了。自从上世纪七十年代粒子物理的标准模型（Standard Model）的建立，基础物理理论的最前沿就是梦想把这一量子理论的已知的最好形式与基于广义相对论的时空几何的引力理论统一起来。尽管这么多年在所谓的量子引力的研究进展，特别是在超弦理论（String Theory），圈量子引力（Loop Quantum Gravity）等等方面的深入和困惑，这一美丽而虚幻的统一梦还是如镜花水月般遥不可及。
这两个支柱理论并没有本质的矛盾，相反历史上的经验和现代的研究进展已经暗示了这两个理论的相容性。关于这方面的深入讨论，请参见博文：“广义相对论和量子理论的矛盾是什么？”。
镜像世界探秘7——暗能量和中微子之谜
本文基于如下论文：“Dark energy and spontaneous mirror symmetry breaking”
现代宇宙学和粒子物理的进展让我们逐渐地把至大和至小的研究联系在了一起。至大可大到整个宇宙，至小则小到基本粒子。我们越对这个世界多一些理解，我们就越发现这两个极端的物理是紧密相关的。宇宙的热大爆炸理论就是对粒子和核物理的最令人惊叹的应用。两者的疑难问题也同样紧密纠缠。甚至两者的研究人员也经常同时涉猎两个方向而难分彼此。
镜像世界探秘6——可在实验室里检验的新物理
本文基于如下论文：“Laboratory tests of the ordinary-mirror particle oscillations and the extended CKM matrix”
自从粒子物理的标准模型（Standard Model）在上世纪七十年代建立起来以后，我们在基础物理理论方面似乎没有感到太大的进展。尽管标准模型的精确性得到了实验上令人叹为观止的十几个数量级的验证，我们仍然非常确定标准模型肯定不是量子理论的最后形式。同时人们还非常渴望统一标准模型里的规范相互作用与爱因斯坦的广义相对论为基础的引力理论。这大概也是为什么最近四十年的基础物理理论研究主要集中在所谓量子引力（Quantum Gravity）的研究，特别是关于弦论（String Theory）和圈量子引力（Loop Quantum Gravity）及类似理论。
然而这些理论都有一个致命的弱点：我们几乎不可能在任何可预见的将来对它们进行实验检验。至于各种各样的超越标准模型（Beyond the Standard Model / BSM）的唯象模型，绝大多数都类似一种玩具模型（toy model），同样缺少坚实的理论预言的可检验性。另一方面，自从伽利略几百年前把物理学奠定为一门实验科学之后，所有基础物理理论的进展都有实验证据的坚强后盾，这让我们很难满意这些年来的基础理论研究的方向。
镜像世界探秘5——不对称的正反物质和物质世界来源之谜
本文基于如下论文：“Kaon oscillations and baryon asymmetry of the universe”
正反物质的不对称性（matter-antimatter imbalance 或者 baryon asymmetry）大概可以算是我们所知的普通物质世界的最大的谜团。当下的物理学（除去新镜像物质理论-Mirror Matter Theory）还无法理解占宇宙总能量95%的暗物质和暗能量。但事实上我们对只占5%的普通正物质（主要是夸克和电子组成的原子形成的恒星和星系）的来源也不清楚。而正是这看起来不多的正物质构成了我们眼中缤纷的大千世界，演化出了丰富多彩的各种生命，更进化出了作为智慧生物的我们人类。
比较公认的对早期宇宙能很好描述的是所谓的热大爆炸理论（hot big bang theory）。它有如下几个重要特征或优点。它要求在非常早期，宇宙经历了暴胀（inflation）过程。这一指数膨胀机制可以解释为什么宇宙在大尺度上具有均匀性（homogeneity）和平滑性（smoothness），即所谓的视界问题（horizon problem）。它也可以解释为什么宇宙是平坦的（flat）。它似乎还可以用来理解宇宙的（至少大体上的）各向同性（isotropic）。但近些年的观测和分析表明，我们的宇宙似乎并非完全各向同性 [参见Colin等人的论文，Astron. Astrophys. 631, L13 (2019)]。而新镜像物质理论的分步暴胀机制恰好可以解释这样的各向异性。
镜像世界探秘4——超高能宇宙射线之谜
本文基于如下论文：“Neutron-mirror neutron oscillations for solving the puzzles of ultrahigh-energy cosmic rays”
本来这一阶段我更痴迷于用新模型解决中微子和正反物质不对称之谜，但一来这些问题更困难一些 ，二来受之前类似工作的启发，我便先完成了相对容易的关于超高能宇宙射线（ultrahigh energy cosmic rays）之谜的论文。而且通过前两篇奠基性论文，新模型的两个内廪参数（n-n’混合强度和质量差）已大体确定。但新镜像理论（mirror matter theory）的宇宙学参数——镜像物质对普通物质温度之比（T’/T）还未知，研究超高能宇宙射线之谜恰恰可以确定这一参数。