宇宙只有一个电子？单电子假设探究了反物质与时间反转的联系
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【宇宙只有一个电子？单电子假设探究了反物质与时间反转的联系】
1940春天 ， 物理学家约翰·惠勒灵光一现 ， 他给理查德·费曼打了电话：“我知道为什么所有电子都具有相同的电荷和相同的质量了 ， 因为它们都是同一个电子 。 ”惠勒描述的这种方法是单电子宇宙的想法：宇宙只存在一个电子 ， 并且电子在时间的两个方向来回移动 ， 最终在两个方向上穿越宇宙的整个过去和未来 ， 并且每次通过时都与自己进行无数次互动 。 利用这种方式 ， 它以无数个电子的表观充满了整个宇宙 。 当电子逆着时间方向流动时 ， 它是一个正电子 ， 这是电子的反物质对应物 。
我们是否应该认真对待惠勒的想法值得商榷 。 然而 ， 费曼确实非常认真地对待了至少一个方面：反物质作为时间反转物质的数学等价性 。 事实上 ， 这个观点正是瑞士物理学家厄恩斯特·斯蒂克尔堡在1930年代首次提出的 。 但是惠勒的“单电子宇宙”的想法启发了费曼将反物质表示构建到他的路径积分和随后的量子力学时空解释中 ， 这为他赢得了1965年的诺贝尔物理学奖 。
单电子假设单电子宇宙的灵感来自于一个困扰惠勒的关于电子的奇怪事实：它们都是相同的 ， 完全相同的电荷、完全相同的质量、完全相同的一切 ， 对此没有令人满意的解释 。 惠勒的观点是 ， 如果电子表现得好像它们是相同的 ， 那么它们也许达到了相同实体的程度 。
让我们将电子视为它的世界线 ， 它作为一条穿越时空的线而存在 ， 而不是作为一个点状粒子在某一瞬间存在 ， 点状粒子只是这条世界线的一部分 。 当电子被光子散射时 ， 电子世界线的方向可能会发生改变 。 如果一个
移动的带电粒子也会产生电流 ， 该电流的方向或符号取决于带电粒子的运动方向和电荷 。 例如 ， 如果一个电子向左移动 ， 它会产生电流Ⅰ ， 而它的向右移动则会产生相同强度的电流 ， 但符号相反-Ⅰ 。 同样 ， 向左移动的正电子也会产生电流-Ⅰ 。 因此 ， 无论是反转电子的运动方向 ， 还是通过将其变成正电子来赋予它相反的电荷 ， 都会得到相同的效果 。 实际上 ， 反转粒子的运动方向可以看成是时间坐标的“倒放” ， 因此物质
对称性变换然而 ， 实际情况更为复杂 。 在与狭义相对论相一致的量子场论中 ， 所有粒子必须在我们所谓的CPT变换下对称 。 C是电荷共轭 ， T是时间反转 ， P是奇偶反转 。 所以 ， 如果你同时做出
电荷反转将一个粒子变成了它的反物质对应物 ， 奇偶性反转仍然使它成为反物质 ， CP变换将物质变成镜面对称的反物质 ， 所以T变换必须做同样的事情 。 在这些基本对称性的意义上 ， 反物质是时间反转的物质 。 我们已经看到将反物质表示为时间反转物质对于简化量子场论非常有用 ， 它可以大大减少费曼图的数量 。
惠勒的单电子假设存在一个大问题 ， 那就是它预测会有等量的电子和正电子 。 毕竟 ， 当一个电子到达时间的尽头时 ， 它需要作为正电子再次折回才能再拥有更多的电子 。 但很明显 ， 电子比正电子多得多 。
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