by Wanpeng Tan for understanding the mirror sector of the Universe
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？”。
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。
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。
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。
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。
这是一个很大的问题，也是一个不容易回答的问题。而且存在很多不同角度的回答。这样的回答，从大到全宇宙的上帝视角，到全体生命的精神内涵，到智慧生命的认知角度，到人类社会的方向，到社会组织结构（大到国家，地区，小到社区，家庭）的层次，一直小到个人的体验，都可能千差万别。对生命的意义的回答还依赖不同学科的探讨：自然科学上的，社会学的，哲学的，文学的，艺术美学的，生物学的，甚至个人体验的，都可能反映了问题的不同侧面。
这里我们利用现代科学特别是物理科学的空前进展所给予我们的启示来讨论生命的意义。
Continue reading “生命的意义是什么？”知乎问题：广义相对论和量子力学的矛盾是什么？
这大概算是在憧憬一种大一统理论之下的误解。其实广义相对论（general relativity）和量子理论（quantum theory）没有不可调和的矛盾。根据最新提出的的镜像世界理论（mirror matter theory），特别是在动态时空演化下的超对称镜像模型（Supersymmetric Mirror Models），广义相对论描述的是时空维度暴胀（inflation）后量子涨落被平滑后导致的平均场效应，即暴胀后平滑的时空几何。在这种意义下，这两种理论完全相容并对我们的宇宙做出一致的描述。
知乎问题：为什么物理学的突破放缓了？
其实从某些物理分支学科来看，比如凝聚态物理及其他量子应用物理的角度来看，最近几十年的发展非常迅猛。但人们更关心的可能是更基础的物理理论体系的划时代的突破。出于人类天生的探索本源的好奇心驱使，而且基础物理建筑在人类理解自然和科学认知的顶端，所以它的突破更容易为人们所津津乐道。然而其他下级物理分支学科尽管受基础物理进展的影响但事实上是不能从基础物理完全导出的，即使原则上也不行。关于这方面的讨论，可以参见这篇通俗文章：“No single unification theory of everything”
本文基于如下论文：“Neutron oscillations for solving neutron lifetime and dark matter puzzles”
这篇论文通过对中子反常寿命和暗物质之谜的解决得以成功建立了一个相当精确而且自洽的镜像世界模型（Mirror Matter Model）。它同时也解决了之前一篇博文（镜像世界探秘2）谈到的恒星演化和元素合成之谜。
中子，于1932年由Chadwick首先从实验上发现并于1935年获得诺贝尔奖。中子和质子一起组成了所有元素的原子核。但自由中子是不稳定的，它的寿命只有大概15分钟，然后就会通过我们唯一已知的方式衰变成一个质子，一个电子，和一个反中微子（即β decay）。
前文提到新镜像理论一个主要的贡献就是新中子振荡（n-n’）模型的提出。关于普通-镜像中子振荡（n-n’）的想法很久就有了。但它真正引起人们注意的是由于最近几年有关中子寿命反常的测量。还有另一种中子振荡是指更早期的认为正反中子互相转化的想法。
下面这个视频是对我最近发表的有关高温超导提出的新的配对机制的论文（手征电子空穴CEH配对）的一个科普。论文发表在 J. Phys. Chem. Solids 193 (2024) 112148. 令我惊讶的是这个科普做的很好，对这篇论文的本质精神理解的不错，远远超过我的预期。相比之下，那些所谓大专家和权威的反应就太令人汗颜了。感兴趣的读者可以点击观看这个 youtube 链接 或者 原始的中文视频。 。。。 阅读全文
最近热议的 LK-99 材料也许真的可能具有室温常压下的超导属性或超导相，至少也可能是一种新型的复杂多相的，值得进一步研究的新材料。从超导理论上来讲，他们提出了两个特别值得关注的要点：一个是此超导相可能是一个准一维结构；另一个是微小的晶格压缩可以产生巨大的内应力。这两点可能真是实现室温常压超导的必要条件。然而高温（二型）超导的物理机制并没有解决，传统的BCS理论并不适用。那么，新机制应该是什么样？ 。。。 阅读全文
上世纪初开尔文（Kelvin）所提到的那两朵乌云（以太和能量均分问题）最终迎来了现代物理学的两个重要支柱理论--狭义相对论和量子论。更进一步地，爱因斯坦在其狭义相对论的基础上凭借他超人的智慧建立了仍然是我们目前已知的最好的时空和引力理论--广义相对论。而同样在狭义相对论的基础上，量子论经过70年的发展和许多天才物理学家的贡献也终于形成了我们今天所熟知的粒子物理量子场论的标准模型（Standard Model）。这两个若即若离的理论即广义相对论和标准模型虽难以统一在一个框架里，却以其惊人的相容度极为精细而深刻地描写着几乎全部基础物理和宇宙学 。。。 阅读全文
层展（emergence）和还原（reduction）常常被看作科学研究中的两种（对立的）方法论或理念。层展（emergence）还是我刚刚知道的中文翻译，不过它明显比我以前知道的翻译“涌现”要好得多，当然意思也更丰富。特别是这个中文“层展”概念与我最近发展的一种超越标准模型（beyond the Standard Model）的新物理的观念尤其吻合：物理规律和内涵（比如，基本粒子及其相互作用）是通过时空维度相变的机制一步一步演化的 。。。 阅读全文
说起来张益唐还是我的北大校友学长。几年前第一次得知他在孪生素数猜想上的突破性贡献时，对于他的际遇有一种莫名的共鸣震动，也就是所谓的“于我心有戚戚焉”。他的例子对我未尝不是一种莫大的鼓励，对于几年后实现我自己的突破肯定有些影响。及至这两年多来的经历，我不免又生出了很多感概，遂成此文 。。。 阅读全文
长期坚持自己最喜欢的问题的科学研究对做学术的人特别是年轻人常常是一个既美好又危险的事情。如果个人所爱恰恰是符合主流研究规范的话，那么恭贺你，你会顺利成长为一个标准的主流科学家。如果你的研究所爱特别另类，那么也恭喜你，因为这可能是具有颠覆性的创新研究。然而你可能未必完全清楚你所面临的巨大风险 。。。阅读全文