[论文解读] A new insight into the negative-mass paradox of gravity and the accelerating universe

Guang-jiong Ni|ArXiv.org|Aug 9, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出了一种广义的牛顿引力定律，允许物质与反物质之间产生排斥性相互作用，通过在物质与反物质之间引入反重力来解决负质量悖论。文章认为，量子场论中的CPT对称性可支持质量反转对称性，从而建立一种新宇宙学模型，其中物质与反物质的排斥作用可能解释宇宙加速膨胀，而无需引入暗能量。

ABSTRACT

The discovery of acceleration of the universe expansion in recent astrophysics research prompts the author to propose that the Newton's gravitation law can be generalized to accommodate the antimatter: While the force between matters(antimatters) is attractive, the force between matter and antimatter is a repulsive one. A paradox of negative-mass in gravity versus a basic symmetry (m-->-m) based on quantum mechanics is discussed in sufficient detail so that the new postulate could be established quite naturally. Corresponding modification of the theory of general relativity is also suggested. If we believe in the symmetry of particle and antiparticle as well as the antigravity between them, it might be possible to consider a new scenario of the expansion of universe which might provide some new insight into the interpretation of cosmological phenomena including the accelerating universe observed.

研究动机与目标

• 解决经典引力中的负质量悖论，即负质量会导致动量与能量守恒的破坏。
• 调和相对论量子力学中负能态的存在与惯性质量观测到的正性之间的矛盾。
• 基于CPT对称性与量子场论，为物质与反物质之间的反重力提供物理基础。
• 提出一种修改后的引力框架，广义化牛顿定律以包含物质与反物质之间的排斥力。
• 探讨该模型的宇宙学意义，特别是其解释宇宙观测到的加速膨胀的潜力。

提出的方法

• 广义化牛顿引力作用力定律，使其允许吸引与排斥相互作用：$ F(r) = \pm G m_1 m_2 / r^2 $，符号取决于质量的性质。
• 应用CPT对称性重新定义反粒子的波函数，表明反粒子具有相同的正能量，但动量与电荷相反。
• 利用庞加莱群的卡西米尔不变量，证明质量反转（$ m \to -m $）在对称性上是自洽的，并与相对论量子力学一致。
• 通过$ P_\mu P^\mu = m^2 $与$ W_\sigma W^\sigma $的不变性，推导出粒子-反粒子对称性、时空反演与质量反转对称性之间的等价性。
• 提出光子因静止质量为零，不产生引力作用，其运动轨迹由所有物质与反物质决定的测地线确定。
• 建议通过局域化时空反演对称性，可能实现广义相对论的量子化，类似于广义相对论如何从局域洛伦兹对称性导出。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过引入物质与反物质之间的排斥相互作用来解决引力中的负质量悖论？
• RQ2 量子场论中的CPT对称性如何支持物质与反物质之间反重力的存在？
• RQ3 质量反转对称性（$ m \to -m $）对引力定律的表述有何影响？
• RQ4 基于物质与反物质排斥的修改引力理论能否解释观测到的宇宙加速膨胀？
• RQ5 该模型如何调和惯性质量的正性与相对论量子力学中负能态的存在之间的矛盾？

主要发现

• 本文确立了负质量悖论仅在假设物质与反物质相互吸引时才会出现，而排斥性相互作用可彻底解决该悖论。
• CPT对称性表明反粒子具有正能量，且波函数变换$ \psi_c = CPT\psi \sim \exp[-i(px - Et)/\hbar] $可合理解释反粒子具有正能量。
• 质量反转对称性（$ m \to -m $）在物理上是自洽的，因为卡西米尔不变量$ P_\mu P^\mu = m^2 $与$ W_\sigma W^\sigma $在$ P_\mu \to -P_\mu $下保持不变。
• 该模型预测物质与反物质相互排斥，这种排斥作用可能驱动宇宙的加速膨胀，而无需引入暗能量。
• 光子被证明不具有引力质量，因此不产生也不响应引力场，这与它们零静止质量的性质一致。
• 本文建议，未来广义相对论的量子化可能源于时空反演对称性的局域化，类似于广义相对论如何从局域洛伦兹对称性导出。