Warum wird angenommen, dass der Urknall zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie produziert hat?

Es ist bekannt, dass eine große offene Frage in der Physik darin besteht, warum das Universum anscheinend fast vollständig aus Materie besteht, mit so gut wie keiner Antimaterie, obwohl die beiden nach dem Standardmodell streng symmetrisch sind. Ich weiß, dass es irgendwie mit dem Brechen der CP-Symmetrie zu tun hat. Bei der Recherche wird mir in den ersten Sätzen immer wieder so etwas gesagt wie „Am Anfang war so viel Materie wie Antimaterie“. Aber warum? Was in meinem Kursmaterial oder in irgendeiner populären Behandlung des Themas nie erklärt wird, ist, warum angenommen wird, dass der Urknall überhaupt zu einem Verhältnis von 50:50 führen würde, was dann ein anderes, noch unbekanntes Verhältnis erfordern würde Mechanismus, um einen Überschuss an normaler Materie zu erzeugen und die Symmetrie zu brechen.

Folgendes verstehe ich nicht: Da wir über die Randbedingungen des Universums diskutieren, warum konnte das Anfangsverhältnis nicht willkürlich festgelegt werden? Tatsächlich beobachten wir bereits einen Mangel an Antimaterie, wäre ein Universum, das von Anfang an immer hauptsächlich aus Materie bestand, nicht die sparsamere Annahme? Kurz gesagt, welcher Teil des theoretischen Rahmens des Standardmodells lässt uns erwarten, dass das frühe Universum inhaltlich symmetrisch war, anstatt einfach überschüssige Materie zu enthalten, „weil es so ist“?

(Nebenbei gesagt, ja, „weil es so ist“ ist eine frustrierende Antwort auf jede wissenschaftliche Untersuchung, aber es muss schließlich darauf hinauslaufen. Konzeptionell ist ein perfekt ausbalanciertes Universum attraktiv wegen der Einfachheit und Eleganz der Mathematik dahinter es, aber wir wissen bereits durch die Tatsache, dass wir existieren, dass es nicht perfekt symmetrisch sein könnte, oder es wäre leer und unveränderlich. Welchen Unterschied macht es, wenn wir diese Asymmetrie in die Randbedingungen statt in die physikalischen Gesetze stecken?)

Außerdem scheint es mir, dass in einem naiven Viele-Welten-Gedankenexperiment, da das Universum von gigantischer, aber unbekannter Größe ist und die ursprüngliche Menge an Materie vor der Vernichtung ebenfalls unbekannt ist, fast jedes anfängliche Verhältnis, abgesehen von einem nahezu perfekten Gleichgewicht, entstanden wäre in einem größtenteils aus Materie bestehenden Universum (wenn Antimaterie gewonnen hätte, hätten wir nur eine umgekehrte Terminologie), wobei die abgrundtief geringe Alternative ein leeres Universum wäre. Das fühlt sich also noch nicht einmal nach Feintuning an. Das Ergebnis einer perfekten Symmetrie wäre viel "unwahrscheinlicher" gewesen. Ich nehme natürlich an, dass diese Argumentation einen Fehler hat, aber es ist mir unklar. Könnte jemand mit einem tieferen Verständnis des Feldes bitte darauf hinweisen?

Ich verstehe, dass dies eine sehr ehrgeizige Frage ist, also verzeihen Sie mir bitte, wenn sie über meine Fähigkeiten hinausgeht. Um Ihnen ein Gefühl für mein Niveau zu geben, ich bin ungefähr gleichwertig mit einem Master-Abschluss in Physik, also verstehe ich die Grundlagen des Standardmodells und einige der Prinzipien der Vereinigung höherer Energien, aber ich habe keine der Alternativen studiert Theorien.

Als nicht-mathematische Erklärung wurde allgemein angenommen, dass C-Symmetrie oder Ladungssymmetrie in der QFT gilt. Das heißt, wenn wir ein Universum nur mit Materie und eines nur mit Antimaterie erschaffen würden, würden sie sich identisch entwickeln; das System wäre dazu invariant. Dies würde bedeuten, dass ausgehend von einem Grundzustand (einem unbekannten Zustand der Materie im sehr sehr frühen Universum) keine Präferenz für Materie oder Antimaterie bestehen würde, was ein 50/50-Universum impliziert. Dies ist jedoch offensichtlich nicht der Fall.
@Stoby Ein Bleistift, der oben steht, kann unabhängig davon nach rechts oder links fallen. Diese Invarianz impliziert nicht, dass der Stift am Ende gleichzeitig auf beide Seiten fällt.
@DiracDelta „ Das Universum scheint fast ausschließlich aus Materie zu bestehen, mit so gut wie keiner Antimaterie “ - Das ist nicht ganz korrekt, da es keine Definition gibt, durch die sich Materie von Antimaterie unterscheidet. Nichts hindert uns beispielsweise daran, alle positiven Elementarteilchen zu „Materie“ und alle negativen zu „Antimaterie“ zu erklären. Dann sind alle Elektronen widerspruchsfrei Antimaterie. Wenn Sie auch davon ausgehen, dass alle Quarks aus drei Teilchen bestehen, dann sind die Mengen an Materie und Antimaterie im Universum gleich, nur anders angeordnet: en.wikipedia.org/wiki/Rishon_model
@safesphere sicher, das ist wahr, aber das Universum ist kein Bleistift, analog könnten wir es uns als Milliarden von Bleistiften vorstellen, die hochkant stehen, in welchem ​​​​Fall die Statistik ihres Fallens ein Verhältnis von 50/50 ergeben würde (unter der Annahme von a Fallmechanismus mit zwei Zuständen).
@Stoby Mein Punkt ist, dass Sie eine implizite Annahme treffen, die nicht als gegeben gerechtfertigt ist und daher einen fehlenden Schritt in Ihrer Logik darstellt. Sie gehen davon aus, dass die Erzeugung jedes Teilchens entweder als Teilchen oder als Antiteilchen ein unabhängiger Prozess ist, im Gegensatz zu einer unbekannten zugrunde liegenden Symmetrie, die die Erzeugung aller Teilchen im Anfangsmoment bestimmt. Auch die Unterteilung von Teilchen in "Teilchen" und "Antiteilchen" ist willkürlich und erfolgt einfach auf der Grundlage der experimentellen Tatsache ihrer Häufigkeit. Nichts hindert uns daran, Elektronen als "Antiteilchen" und Positronen als "Teilchen" zu betrachten.
@safesphere Ich denke, wir stimmen hier wahrscheinlich mehr überein, als dass wir hier nicht einer Meinung sind. Offensichtlich ist dies nicht der Fall, also muss eine solche Bedingung vorliegen. Natürlich sind die Namen Antiteilchen und Teilchen willkürlich, aber das ist eine Frage der Semantik, nicht der Wissenschaft.
Die sichtbare Symmetrie könnte rückgängig gemacht worden sein, wenn unser Universum lokal ist – dh kausal von anderen lokalen Universen getrennt ist, wie in solchen Multiversumsmodellen wie Poplawskis auf Schwarzen Löchern basierender „Kosmologie mit Torsion“ vorgeschlagen (seit 2010 in vielen Artikeln beschrieben). Unter Verwendung der Einstein-Cartan-Theorie (die eine räumliche Ausdehnung für Fermionen erfordert) in Kombination mit der Trennung der Partner in virtuellen Fermion / Antifermion-Paaren durch den Horizont eines rotierenden Sterns, der gravitativ kollabiert, dreht ihre Wechselwirkung mit den größeren stellaren Fermionen die inneren Partner solcher Paare nach außen, um eine solche LU zu bilden.
Ich habe die Antwort von Kyle Oman positiv bewertet, da sie mit meinem vorherigen Kommentar kompatibel zu sein scheint und ausgefeiltere Informationen hinzufügt. In Bezug auf den Kommentar selbst hatte ich ein Problem damit, die Vision von Teilchen / Antiteilchen-Paaren zu umgehen, die alles andere tun, als sich ihrer gegenseitigen Vernichtung zu nähern, aber eigentlich denke ich, dass sie durch eine beliebige Menge an Raum getrennt sein könnten, und zwar tatsächlich , scheint Poplawskis Kosmologie eine möglicherweise vergangene und zukünftige ewige Folge von LUs auf abnehmenden Raum- und Zeitskalen vorzuschlagen.
physical.stackexchange.com/questions/556528/… Dies könnte Ihre Frage beantworten.

Antworten (2)

Die stärkste Motivation für anfänglich gleiche Mengen an Materie und Antimaterie kommt eigentlich nicht aus dem Standardmodell, sondern aus der Kosmologie – im Vergleich zu Baryonen gibt es im Universum eine erstaunlich große Anzahl von Photonen 1 . Es ist möglich, auf verschiedene Arten zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen. Die eine besteht darin, den kosmischen Mikrowellenhintergrund zu betrachten, der den größten Beitrag zur gesamten Photonenzahldichte im Universum leistet. Es hat eine Energiedichte von ca 0,25 e v C M − 3 , was ungefähr funktioniert N γ = 500 P H Ö T Ö N C M − 3 . Vergleichen Sie dies mit der Baryonenenergiedichte von etwa 240 e v C M − 3 , was funktioniert N B A R = 2.6 × 10 − 7 P R Ö T Ö N C M − 3 . Es gibt also ca N γ / N B A R ∼ 2 × 10 9 P H Ö T Ö N B A R j Ö N − 1 .

Das Argument ist dann, dass es in frühen Zeiten nahezu gleiche Mengen an Materie und Antimaterie gab, von denen die meisten (mit Ausnahme von etwa einem Teil pro Milliarde) in Photonen vernichtet wurden. Dies führt entweder zu einem Feinabstimmungsproblem - warum gab es ein 10 − 9 Überschuss von Materie über Antimaterie in den Anfangsbedingungen? - oder Sie können stattdessen versuchen, einen CP-asymmetrischen Prozess aufzurufen, um die anfängliche Materie/Antimaterie-Symmetrie zu brechen. Die meisten Physiker und Kosmologen fühlen sich mit letzterer Option wohler; wir neigen dazu, Feinabstimmungen sehr abgeneigt zu sein.

1 Ich verwende hier das Baryon des Astronomen, was ein loser Begriff ist, der mehr oder weniger alle nicht-relativistische Materie (hauptsächlich Atome, Leptonen) umfasst, aber nicht (kosmologische) dunkle Materie, Neutrinos oder Photonen.
Danke schön! Diese Beobachtung war mir nicht bekannt. Ich hatte nicht erwartet, dass es Beobachtungsbeweise gibt, aber es macht Sinn, dass die überschüssigen Photonen aus der Vernichtung stammen würden, wenn man bedenkt, dass die einzigen anderen Möglichkeiten, die mir einfallen, die Wechselwirkung mit kurzreichweitigen, kurzlebigen Bosonen beinhalten würden, die schnell unterdrückt würden durch die Ausdehnung der Raumzeit.
Mir ist gerade aufgefallen, dass ich damals vergessen hatte, diese Antwort als akzeptiert zu markieren, also los geht's. Danke noch einmal.

Die mathematische Bedeutung einer Singularität ist, dass wir keine mathematischen Größen definieren können. Da wir keine mathematischen Größen definieren können, haben wir keine Ahnung von der Physik in der anfänglichen Singularität. Alles, was wir annehmen, ist daher eine Spekulation. Wir können nicht wissen, ob das Universum aus dem Nichts erschaffen wurde, und wenn ja, ob es mit einem Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht erschaffen wurde, oder ob es etwas vor der anfänglichen Singularität gab, das das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht verursachte.

Wir wissen aufgrund der sehr hohen Energien und Dichten direkt nach der anfänglichen Singularität, dass Materie und Antimaterie in nahezu gleichen Mengen existierten, und wir wissen, dass nach ihrer Vernichtung ein kleiner Anteil an Materie übrig blieb. Wie das geschah, wissen wir nicht.

Wir können jedoch Annahmen treffen und versuchen abzuleiten, was die Schlussfolgerung dieser Annahmen wäre. Solche Annahmen sind keine wissenschaftliche Theorie, sie sind Hypothesen, die wir zu testen versuchen können.

Eine Annahme ist, dass Materie und Antimaterie in genau gleichen Mengen aus dem Nichts entstanden sein sollten. Es gibt eine Reihe von Problemen mit dieser Annahme, aber sie hat den Vorteil, dass sie zu dem passt, was wir über die Bildung von Paaren wissen. Andererseits verstößt es gegen jede Form der Energieerhaltung, die wir vernünftig formulieren können, und es erfordert die Annahme eines unbeobachteten physikalischen Prozesses, um das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht zu erklären - obwohl ein solcher Prozess zumindest oberflächlich gegen das allgemeine Relativitätsprinzip verstoßen würde dass die Gesetze der Physik überall gleich sind.

Mir persönlich gefällt diese Annahme nicht. Ich ziehe es vor zu glauben, dass der Urknall auf einen früheren, unbekannten Zustand folgte (vielleicht ein zyklisches Universum, obwohl dies eine Erklärung erfordert, warum beobachtete kosmologische Parameter nicht zu einem zyklischen Universum zu passen scheinen).

Welche Annahme auch immer gewählt wird, man sollte sich darüber im Klaren sein, dass es nur eine Annahme ist, eine Spekulation, die nicht durch Beweise gestützt wird. Folglich sollte man bereit sein, darauf zu verzichten, wenn Beweise für das Gegenteil entdeckt werden. Ich würde nur sagen, wenn ein Autor eine spekulative Annahme präsentiert, als ob es sich um etablierte Wissenschaft handelt, sollten Sie dem wissenschaftlichen Urteil dieses Autors sofort misstrauen.

@safesphere, ich finde die Argumente für ein unendliches Universum nicht überzeugend, arxiv.org/abs/1603.02568 , und neige dazu, entweder an ein endliches zyklisches Universum oder, spekulativer, an die Schaffung von Raumzeit aus einem früheren Zustand zu denken von Materie-Antimaterie, bei der weniger Antimaterie an der Entstehung beteiligt war. Obwohl es nicht möglich ist, eine globale Zeit für einen solchen Zustand zu definieren, denke ich, dass die Eigenzeit eine Eigenschaft individueller Partikel ist, die sich in den Zeitlinien von Partikeln widerspiegelt, die in Feynman-Diagrammen zu sehen sind. Allerdings ist es sehr schwierig, so etwas hier zu diskutieren.
Ohne irgendetwas außerhalb der bekannten Physik zu postulieren, würde es bei Energien vor etwa 1 Sekunde eine spontane Paarbildung geben. Vor ungefähr 10 − 10 sec (die in Beschleunigern erreichbare Energien darstellen) sollten ungefähr gleiche Mengen an Materie und Antimaterie vorhanden sein.
Einverstanden, dass der absolute Unterschied fest ist, aber ich habe kein Problem mit der Friedmann-Metrik als erste Näherung (siehe obigen Link), vorausgesetzt, es ist nur sinnvoll, überhaupt eine Metrik anzugeben, die in der Nähe einer Singularität nicht wahr sein kann . Ich stimme eigentlich nicht zu, dass QFT eine flache Raumzeit oder überhaupt eine Raumzeit annimmt. Ich sehe die Raumzeit als emergent und die in Feynman-Diagrammen beschriebene zugrunde liegende Struktur als grundlegend an. In meinen Büchern und in Mathematical Implications of Relationism versuche ich, diese Struktur beizubehalten, wenn die Raumzeit keinen Sinn mehr ergibt.
Warum wird angenommen, dass der Urknall zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie produziert hat?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v