宇宙学与物理学中的新思想导论

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 本文在宇宙学、天体物理学和理论物理领域提出了新思路,采用简化的图示和几何方法。
  • 它提出一个模型,其中两种质量——普通质量和“幽灵”质量——按照牛顿定律和反牛顿定律相互作用。
  • 文中提及负质量的概念及其在物理学中的意义,参考了让-玛丽·苏里奥的研究工作。

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...我们生来不是为了像野兽般生活,而是为了追求美德与知识(但丁,《地狱篇》)。
( 我们并非生来只为愚昧度日,而是为了追寻美德与知识之路。但丁:《地狱篇》)。

*** 引言

...我们旨在提出宇宙学、天体物理学和理论物理领域的新思想。
这些研究背后的观念相对简单,可通过三种不同方式表达。

  • 用专业术语语言。

  • 以示意图形式。

  • 以通俗化方式。

...通俗化表达有多种方式。大多数情况下,通俗作者仅提供一些语言图像,以激发读者的想象力。但最终,读者并未真正学到多少东西。

...若能充分运用图像,即几何学——它与物理学及各类科学密切相关——我们便能让读者获得双重收益。类比帮助读者理解研究的基本思路,同时,读者还能实实在在地掌握几何知识,尤其是二维几何。

第一个示意图:牛顿与反牛顿

所谓示意图,就是仅呈现模型的一个方面。

...宇宙结构由一种基本力组织:引力。如果宇宙中的物体之间没有相互吸引,那么将不会发生任何事情,或几乎不会。星系不会形成,恒星也不会出现,我们也就不会在此谈论这一切。例如,若引力是排斥性的,它将使所有粒子彼此保持最大距离,宇宙将始终是无定形的,久而久之将极其乏味。

万有引力定律即牛顿定律:

...G 是引力常数。m 和 m' 是两个质量,d 是它们之间的距离。如后文将见,我们提出的模型是让两种质量相互作用,我们称之为“普通质量”(经典意义上的物质,即构成星系、恒星、原子的物质)和“幽灵质量”,记作 m 和 m*,之所以如此命名,是因为它们在光学上本质上不可观测。相互作用的示意图如下:

普通质量遵循牛顿定律相互吸引。
“幽灵质量”也遵循同一规律相互吸引。

但假设普通物质与幽灵物质之间相互排斥,遵循“反牛顿”规律:

...此时,我们可以在计算机中放置“质点”,观察当吸引力与排斥力同时作用时会发生什么。

...物理学家会立刻指出:这等价于引入负质量 m* < 0。事实上,若在牛顿定律中将其中一个质量的符号反转:

力的符号也随之改变。

...若两个质量的符号均反转,力的符号则不变。因此,人们可能得出结论:上述模型等同于宇宙中存在两种质量:正质量和负质量,这意味着存在能量 E = mc² 为负的粒子。1970年,数学家让-玛丽·苏里欧(Jean-Marie Souriau)通过群论理论曾考虑过负质量存在的可能性。参见其著作《动力系统结构》,杜诺德出版社,第197至200页。

...负能量物体的问题之一是:当它们与正能量物体相遇时会发生什么?

...需提醒的是,反物质具有正质量与正能量。物质粒子与反物质粒子相遇会产生光子,其能量同样为正。但若一个正质量 m > 0 且正能量 E > 0 的粒子与一个质量为 -m、能量为 E* = -E 的反粒子相遇,则结果将……什么都不会产生。

此外,物理学家会指出:我们从未观测到具有负质量的粒子。

...因此,至此为止,我们仅停留在示意图层面。如后文将见,该系统实际上“表现得像幽灵质量为负质量一样”,遵循牛顿与反牛顿规律,但该模型并非如此简单。要摆脱这种示意图视角,必须熟悉一些几何学概念。

...

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