8 幸存者偏差与现存宇宙

幸存者偏差(survivorship bias),是一种逻辑谬误,选择偏差的一种.过度关注"幸存了某些经历"的人和事物,忽略那些没有幸存的(可能因为无法观察到),造成错误的结论.²³

在宇宙学中,暗物质(Dark Matter)是指不与电磁力产生作用的物质,也就是不会吸收、反射或发出光.人们目前只能透过重力产生的效应得知,而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在.物质之所以被称为"暗",是因为它似乎不与电磁场相互作用,这意味着它不吸收、反射或发射电磁辐射(如光),因此难以检测.²⁴ ²⁵

根据目前天文学的测量结果,得出宇宙的不同的物质-能量组成比例:^[10]

4.9% 正常物质
26.2% 暗物质
68.9% 暗能量

图13 宇宙的不同的物质-能量组成比例饼状图

Figure 13 Pie chart of different matter-energy composition ratios of the universe

暗物质的特性:

暗物质的主要证据来自它与引力的相互作用:星系旋转曲线、引力透镜、子弹星系团的碰撞.如果没有暗物质,星系中可以用电磁波的探测的物质总质量不足以维持现有的星系旋转速度.一旦暗物质消失,星系按照目前的速度就会散架,分崩离析.
暗物质不是黑暗的,它是透明的.它不发光,不反射光,这意味着我们看不到它.
暗物质没有电荷和磁场,否则它会与电磁场相互作用,这意味着它会与其他粒子相互作用.由于几乎所有已知的粒子都带有电荷,因此暗物质不可能是其中的任何一种.
暗物质不大可能是粒子物理学标准模型中61个基本粒子.否则的话早就在实验室被物理学家探测到.^[11]

暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域.科学家使用多种实验方案试图检测到暗物质,直接探测暗物质的技术方案包括:

低温晶体探测器
惰性气体闪烁体
晶体闪烁体
气泡室²⁶

目前还没有从直接探测实验中探测到暗物质的明确说法.

物理学中,反物质(Antimatter)被定义为由"普通"物质中相应粒子的反粒子组成的物质.一个粒子和它的反粒子具有相同的质量,但具有相反的电荷,以及其他量子数的差异.正电子、负质子都是反粒子,它们跟通常所说的电子、质子相比较,电量相等但电性相反.反中子的质量与中子相同,也不带电荷,磁矩也与中子相反.任何粒子与其反粒子之间的碰撞都会导致它们相互湮灭,从而产生不同比例的强光子(伽马射线)、中微子,有时还会产生质量较小的粒子-反粒子对.在粒子加速器上产生极少数量的反粒子,在宇宙射线碰撞和某些类型的放射性衰变等自然过程中也会产生.科学家声称反物质是制造成本最高的材料.2006年,美国宾夕法尼亚州立大学杰拉德·史密斯(Gerald Smith)博士估计2.5亿美元可以产生10毫克正电子(相当于每克250亿美元);1999年,NASA给出的数字是每克反氢62.5万亿美元.这是因为生产很困难(在粒子加速器的反应中只产生很少的反质子),而且对粒子加速器的使用条件也有更高的需求.²⁷ ²⁸ ²⁹

以上归纳:

物质目前宇宙中普通物质,可以通过电磁波探测到.

反物质反物质的基本粒子与对应物质的基本粒子质量相同,电荷或者磁矩相反.可以通过电磁波探测到,但在可观测宇宙数量极少.

暗物质不与电场磁场发生作用的另一物质,存在质量.可以通过重力与普通物质发生作用,在可观测宇宙暗物质总量高于物质总量.但几乎是隐形的透明的,目前所有基于电磁场光电效应的探测均告失败.

下面开始作包含假设的解释.

问:为什么反物质在可观测宇宙极少,而物质比较普遍?

答:因为宇宙诞生之初,或不同的物质诞生之初,物质的数量远远多于反物质的数量,反物质诞生后基本上都与物质一起湮灭了.在可观测宇宙中,物质是幸存者.

问:为什么暗物质是隐形的,不与电磁场发生作用?

答:质量是虚数的粒子组成暗物质.暗物质诞生初期还有一种质量与暗物质相同但与电磁场发生作用的物质,叫电磁暗物质.电磁暗物质发出负光子.负光子与光子一起湮灭成虚无.物质数量远远大于电磁暗物质数量,那么对应比例,光子数量远远大于负光子数量.这样天空在晚上才可以看到宇宙遥远处的星光,因为这光子没有遇到负光子湮灭为虚无.暗物质数量大于物质数量,物质数量远远大于电磁暗物质数量,所以暗物质数量远远大于电磁暗物质数量.在可观测宇宙中,暗物质是幸存者,光子是幸存者.

问:在物质世界,有没有不与电磁场作用的含有静质量的物质基本粒子?

答:有,但数量极少.物质诞生之初,实数质量的总量是恒定的.与电磁场作用的物质基本粒子数量远远大于不与电磁场作用的物质基本粒子数量.实数质量粒子中,与电磁场相互作用粒子和不与电磁场相互作用粒子数量是不对称的.对应的,在暗物质世界这种分布也是不对称的.在物质世界,与电磁场相互作用基本粒子是幸存者,无电磁作用物质粒子是极少数.在暗物质世界,不与电磁场相互作用的暗物质粒子是幸存者,电磁暗物质粒子是极少数.目前学术界对于暗物质可能候选者假说中有大质量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)和轴子(Axion)²⁶,对应于这种粒子.

问:在暗物质世界,有没有暗物质粒子的反暗物质粒子?

答:反物质的基本粒子与物质的基本粒子相比,质量相同,电荷或者磁矩相反.反的概念是基于电磁极性.暗物质的基本粒子与物质基本粒子相比,质量是虚数乘积关系.如果定义物质质量是实数,那么暗物质质量是虚数.如果定义暗物质质量是实数,那么物质质量是虚数.物质的质量的平方是正实数,暗物质质量的平方是负实数.暗物质所在的虚数质量的所有物质可以称为虚物质.虚的概念是基于质量的矢量方向.所有的暗物质,因为不与电磁场发生作用,不存在电磁极性,就没有对应的反暗物质.但电磁暗物质可以与电磁场发生作用,存在电磁极性,所有电磁暗物质存在对应的反物质概念,称为反电磁暗物质.类似的,电磁暗物质与反电磁暗物质的粒子之间的碰撞也会导致它们相互湮灭,消失的大部分质量转化为负光子.

物质、暗物质、反物质分类图

$\text{虚无} \begin{cases} \text{实数质量物质} & \begin{cases} \text{无电磁作用物质} \\ \text{有电磁作用物质} \begin{cases} \text{物质} \\ \text{反物质} \end{cases} \end{cases} \\ \text{虚数质量物质} & \begin{cases} \text{暗物质} \\ \text{有电磁作用暗物质} \begin{cases} \text{电磁暗物质} \\ \text{反电磁暗物质} \end{cases} \end{cases} \end{cases}$