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认识宇宙（之四） 用观测事实和实验证据验证“C宇宙模型”

0. 前 言

   “C宇宙模型”是一个物理图像简单而又清楚的模型。但要“C宇宙模型”被接受，需要有更多观测事实和实验证据的支持。

    膨胀和膨胀加速已被观测到。但至今未观测到存在反物质星系。也没有正物质与反物质间牛顿相互作用相斥的实验证据。后两项证据上能否取得进展将决定“C宇宙模型”的命运。

1. 宇宙中反物质的搜寻

宇宙中有没有反物质组成的天体，不是理论分析能解决的问题，只能通过观测来回答。

从微观上看，粒子和反粒子的电磁作用和强作用性质相同，我们限于观测天体的电磁辐射是无法区别天体由物质或反物质组成。中微子和反中微子能带来区分正反物质的信息，但今天我们还难以接受远处天体的中微子辐射。最后，我们只能依靠粒子与反粒子湮灭发出的特征性的伽玛射线来识别。

银河系空间充满稀薄的星际气体，还有宇宙射线粒子在飞行。它们不与任何一个恒星湮灭而发出特征性的伽玛射线，表明银河系内没有反物质星体。这样的观察已经延伸到本星系群范围，因此天文学家已能肯定，在我们周围几千万到上亿光年范围内没有反物质星系。

在一些理论家看来，上亿光年范围内没有反物质星系，几乎等于肯定了全宇宙没有反物质星系。理由是如果宇宙中正反物质是等量的，按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。^[1]

  这样的结论似乎早了些。“按粒子物理学已经知道的相互作用，它们是没有可能作大尺度分离的。”的判断是建立在支配宇观世界运动的相互作用是“万有引力”的认识基础上的。如果这种相互作用不只是“万有引力”，还有“异种物质相斥”的“万有斥力”，情况就会完全不同了。

  在“同性相吸异性相斥”的相互作用下，正反物质各自聚合成巨大的正反物质团，异种物质团相互排斥而远离，即正反物质团的分离是必然会发生的。

从巡天观察结果看，超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布是均匀的。因此，在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元很可能是超星系团。超星系团的尺度达到数亿光年。这就是说，反物质星系离我们的距离有数亿光年。在这样远的地方少量的宇宙线粒子与异种物质发生湮灭，由于它的信号太弱而没有被发现是不能排除的。我们发现湮灭作用的灵敏度能否达到这样远的距离还有问题。由于正反星系间强大的万有斥力，正反星系间不会发生碰撞和湮灭。

寻找宇宙中的反物质仍是挑战性的课题。1998年发射上天的α谱仪（AMS）的重要目的就是寻找远处的反物质天体。只要AMS探测到一例反氦核就将是远处有反物质星系存在的有力证据。宇宙学理论就将发生翻天覆地的大变化。

  让我们耐心等待观察结果吧。

2. 吴永汉、倪光炯老师也主张修改“万有引力”定律

在牛顿宇宙中，存在齐利格引力矛盾。在爱因斯坦宇宙中，爱氏在方程中人为加进宇宙项，以抗衡引力；之后又放弃宇宙项，承认是个错误；1998年天文观测发现宇宙膨胀不是减速而是加速后，宇宙项又被捡起。如此反复，根源均在这是个“只以吸引为基础的物质理论”，而无“与之相当的排斥”之故。

如果我们认为物质世界的层次是不可穷尽的，牛顿相互作用必须在更大范围内有自身完全抵消的可能。就是说，牛顿相互作用应该和库仑相互作用类似，既有吸引又有与之相当的排斥。即牛顿万有引力定律

     F（r）＝－G m₁ m₂ ∕r²                  （1）

应该推广为

     F（r）＝±G m₁ m₂ ∕r²                  （2）

其中负号适用于m₁ 与m₂都是物质或都是反物质的情形，而正号则适用于不同物质之间的情形。这就是说，正反物质之间是斥力而非引力。

在这个既有吸引又有“与之相当的排斥” 的物质体系中，宇宙（实则是总星系）将从一团包含正反物质的物质团开始，逐渐分离和缓慢地加速膨胀。

这样的推广在物理上有根据吗？

2001年，云南大学吴永汉、张中明、翟应田老师在云南大学学报上发表““万有斥力”和正反物质世界的对称性”一文，提出了总星系由相等数量正反物质构成。并提出同类物质相吸、异类物质相斥的看法。文章进一步谈到，在较小范围内存在高能量密度的大量高能光子辐射产生大量正反粒子对时。如果正反原子或分子物质之间都同样是万有引力，正反原子或分子物质的产生与湮没几率相同，正反物质的混沌状态将会长时间持续下去。同性吸引、异性相斥导致正反原子或分子间碰撞几率发生变化。同类原子或分子之间因吸引就稍微容易碰撞并聚集，异类原子或分子之间因斥力就稍微不容易碰撞并分离。同类物质聚集成团的质量越大，异类物质因斥力就愈加彼此分开，碰撞湮没的几率就越小。经过漫长时间的演变，最终形成了我们宇宙中一些区域是正物质组成的星系，而另一些区域是反物质组成的星系。因正、反星系间巨大的斥力致使碰撞湮没的几率降低得很小很小。由此提出如下假设：

假设1. 在我们所能观测到的宇宙中正反物质的数量是对称的。

假设2. 正物质与反物质的引力质量是相反的，即同类物质之间是万有引力；异类物质之间是万有斥力。

上述假设与传统的万有引力概念相去甚远，但以前在我们这个正物质世界中总结出的几乎所有物理规律都是成立的。在反物质世界也是类似情况。但在研究我们观察的整个宇宙的结构和演化时，就必须考虑正反物质的万有引力和万有斥力在整个宇宙中同时存在所造成的影响。

文章指出，超星系团以下各级结构的空间分布是不均匀的，但总星系内各超星系团的分布基本上是均匀的。因此，文章认为在我们所能观测到的宇宙中，正反物质世界的基本组成单元是超星系团。文章还提出了一个检验“万有斥力”的实验方案。^[2]

复旦大学倪光炯老师在他2003年出版的《高等量子力学》一书中有一节‘反引力和宇宙学’。他根据量子力学原理认为正反物质间不是“万有引力”而是“万有斥力”。将万有引力定律推广到包含正、反物质的体系，成为由式（2）表示的“同性相吸、异性相斥”的广义牛顿相互作用定律。并从量子力学角度讨论了宇宙中的反物质，认为宇宙中的物质和反物质的数量应该相等。书中谈到： “通常认为目前宇宙中正、反物质之比高达10⁸：1，可能起源于微小的CP不守恒。我们不相信这种说法…我们宁可相信整个宇宙的正粒子数目等于反粒子数目…”。“这样我们便懂得目前宇宙在整体上的平坦性（由最近对宇宙微波背景辐射的起伏作精密测量而证明）是由于两个因素：一是由正反粒子间斥力触发的膨涨，二是膨涨后宇宙的一大部分范围内正反物质的密度近于相等”。“因在宇宙很大一部分区域中的物质密度接近于反物质密度，由此可见，在正反物质共存的情况下，广义相对论中所谓的 “等效原理”一定不能成立” ^[3]。因此，爱因斯坦方程不再适于描述这个宇宙。

在这样的宇宙中，由于正反物质的对称性以及引力与斥力同时存在，不会有所谓的齐利格佯謬。“万有引力”和“万有斥力”一起同时作用，同类物质团越聚越大，斥力又驱使异种物质团分离，使宇宙加速膨胀，并自动调节大区域物质密度的均匀性。一个包含正反物质，万有引力和万有斥力同时作用的宇宙将显得更加对称。

3.异种物质相斥的实验验证

物质与反物质间究竟是万有引力或是万有斥力，只有反物质在地球重力场中行为的实验可以给出最终结论。

1991年，朱棣文制成原子干涉重力仪。表明测量低速中性原子的重力加速度可达到很高精度。用中性的反氢原子作落体，应该可以得出反物质在地球重力场中究竟是下落还是上升，即正反物质间是吸引还是排斥的实验结论。

关键是实验验证。一千篇文章也比不过一个有确实结论的实验结果。物理学家手中现在已经有了反氢原子，也有了控制这些中性原子的技术。中国的原子物理学家有能力先作出实验结果吗？

如果实验结果支持物质与反物质间是万有斥力，那么即使还没有能够观测到反物质星系，“C宇宙模型”就能成为宇宙学的一个资用假说。若AMS探测到一例反氦核事例，证明宇宙中存在反物质，“C宇宙模型”就能发展为宇宙学的新理论。

反之，若中性的反氢原子在地球重力场中与正物质一样下落，“C宇宙模型”就被否定。

 

 

参考文献：

[1] 俞允强，热大爆炸宇宙学，北京大学出版社，2010年，99～111.

[2] 吴永汉、张中明、翟应田，“万有斥力”和正反物质世界的对称性，云南大学学报，2001,23(1)：27～31.

[3] 倪光炯、陈苏卿，高等量子力学，复旦大学出版社，2003,417～421.

 

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