全宇宙中的总电荷守恒吗?

时间:2023-09-20 14:40:06

目前已知電荷是嚴格守恆的物理量。物理裏面有著名的諾特爾定理,主要講在某種連續性的變換下定律能保持不變性,可以獲得對應的守恆量,比如時間平移保持動力學的拉格朗日量不變,可以推出能量守恆。類似地,在量子場論裏,有Ward-Takahashi(沃德-高橋)恆等式,諾特爾定理裏的不變性推廣到規範不變性,從而得到荷流(charge current)的守恆性。特別地,電磁場有滿足的U(1)全局變換: ψ→ψ′=exp⁡{−iα}ψ\psi\to\psi=\exp\{-i\alpha\}\psi , 在這個變換下和電磁場有關的拉格朗日量若能保持不變,可以導出守恆流,從而推出電荷總量不會隨時間變化(任何時間下,帶電流流入多少就流出多少,總量不變)。

所以,這是非常基礎的理論來說明的,如果要對可觀測宇宙研究,可以從這個基礎的理論,也就是量子場論本身出發設計實驗來驗證,可以直接用來說明整個宇宙的情況。這和驗證正物質多還是反物質多類似,不必去對整個可觀測宇宙進行觀測(當然也有宇宙觀測的實驗,比如一些探測衛星,因爲驗證一個東西可以有不同的方法),而是只要驗證基本理論裏的諸如輕子數CP破缺的問題,圍繞這些基本理論設計實驗,比如計算出輕子CP破缺的一些參數,就可以推廣到整個宇宙,估算宇宙中正反物質不對稱的情況。驗證電荷是否守恆,或者說違背量子場論的情況,有下面這幾種奇異反應,只要實驗上觀測到它們,就能推廣到整個宇宙的總電量是否不爲零,或者證明它們的反應的概率低於某個極小值:

e→νe+γe\to \nu_e+\gamma

n→p+ν+ν¯n\to p+\nu+\bar\nu

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