为什么我们由物质构成？|163

在新生的宇宙中，物质和反物质同时被创造，然后经历了物质/反物质湮灭。但是物质最终是如何胜出的?宇宙为什么选择了物质？这是关于我们宇宙一个最大的未解之谜。现在我们就来看看我们目前所能给出的最好的答案！

让我们先想想两个看似矛盾的事实:

1)。我们观察到的每一个粒子之间的相互作用，在总体的能量下，如果创造或毁灭一个物质粒子必将创造或毁灭等量的反物质粒子。物质和反物质之间的物理对称性在宇宙中表现的十分严格:

每创造一个夸克，也会创造出一个反夸克，
每摧毁一个夸克，也会摧毁一个反夸克，
每创造或消灭一个轻子，也将创造或消灭一个来自同一轻子家族的反轻子，

我们在宇宙中制造更多(或更少)的物质就会制造等量的更多(或更少)反物质。然而，还有第二个事实:

2)。当我们看宇宙时，所有的恒星、星系、气体云、星系团、超星系团和最大尺度的结构，一切似乎都是由物质构成的，而不是反物质。反物质和物质在宇宙中无论何时何地相遇，都会因为粒子-反粒子湮灭而爆发出惊人的能量。

实际上，我们可以在宇宙中，产生等量物质和反物质的高能量源附近可以观察到正反物质的湮灭，反物质在宇宙中遇到物质时，我们可以探测到频率非常特殊的伽马射线。

但是如果我们观察星系内恒星之间的空间和更大尺度上星系之间的空间时，我们会发现空间中充满了物质，当然，由于广阔的空间，物质的密度很稀疏，所以你可能会想，如果把一个反物质粒子(比如反质子)扔到宇宙空间中，反物质平均寿命会持续多久才会撞上一个物质粒子发生湮灭。

在我们银河系的星际介质中，反物质平均寿命约为300年，这与我们银河系的年龄相比微不足道!这个限制条件告诉我们，至少在银河系中，允许我们观察到的反物质数量最多是1/10^15!

在更大的尺度上，例如星系和星系团限制就没有这么严格，但仍然非常强。我们的观测范围从几百万光年到30多亿光年，观测到的正反物质湮灭释放的x射线和伽玛射线很少很少。我们所看到的是，即使在宇宙的大尺度上，宇宙中99.99999%以上的物质绝对是正物质(和我们一样)，而不是反物质。从观察的角度来看，这是物质在宇宙中占主导地位的下限。

一方面，我们的实验结果表明，如果不创造或毁灭等量的反物质，我们就无法创造或毁灭物质
另一方面，宇宙据我们所知，似乎是由几乎100%的物质组成的，几乎不存在反物质组成。

那么这到底是怎么回事呢?

我们想要了解这种情况如何发生的，我们就必须回到宇宙诞生初期，就在大爆炸发生和暴胀结束之后:宇宙处于高温、致密、充满物质、反物质和辐射的时代。

在宇宙的最初阶段，所有的一切都是极其炙热和稠密。要组成我们今天可观测宇宙的部分，此时的宇宙大约包含10^90个物质粒子，反物质粒子和辐射粒子，物质和反物质的数量大致相等。宇宙初期能量如此之大，以至于任何两个辐射粒子碰撞时，都会自发地产生等量的物质和反物质，而当物质和反物质碰撞时，它们又会转化为纯辐射能量。这个过程在宇宙年轻的时候无处不在，每时每刻都在发生。

如果宇宙只是创造出物质/反物质对，并让它们再次湮灭，那么我们的宇宙将与今天大不相同。从理论上讲，如果没有物质/反物质的不对称性，随着宇宙的冷却和膨胀，宇宙很快会达到一个不可能产生新正反物质对的点，已经产生的物质和反物质对将会很快湮灭，只留下很少很少的一部分随着宇宙的不断膨胀变的稀疏，彼此很难找到对方，如果是这样的话，我们将会得到一个其中大部分是光子，只剩下少量物质和反物质的“空无一物”的宇宙。

但事实是，在非常早期的宇宙中创造了一种基本的物质/反物质的不对称性。

那么宇宙早期发生了什么？这是关于重子发生的问题，是基础物理学中尚未解决的最大问题之一。虽然我们目前不知道这是怎么发生的，但是我们对这个问题已经有了一个比较好的总体概念!安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)证明，如果宇宙初期满足以下三个条件，宇宙可以从最初的对称状态创造出物质/反物质的不对称:

不平衡条件
C-对称破缺和CP-对称破缺，
存在破坏重子数守恒的相互作用。

不平衡条件。这个比较简单。在一个由广义相对论和量子场论控制的巨大的、炙热的、膨胀和冷却的宇宙，必定会存在不平衡!这里的“平衡”是指系统中的所有粒子都有机会彼此联系或交换信息。在不断膨胀、冷却的宇宙中，一边的粒子与另一边的粒子在因果关系上会彼此分离;在早期的宇宙中，有大约10^50+个因果断开的区域，在那里，即使是光也没有足够的时间从一个区域到达另一个区域。

早期的宇宙不仅是不平衡的，而且在原则上我们很难设计一个比早期宇宙更加平衡的系统。

C-对称破缺和CP-对称破缺，C代表电荷共轭(意思是用反粒子替换所有的粒子，所有的反粒子用粒子替换)，P代表宇称( 意思是取镜像，也就是左右彼此互换)。从理论上讲，如果对粒子施加对称和物理定律，并且所有物理现象保持不变，那么C和P是守恒的。如果你同时施加两种对称，并且所有物理现象还是保持不变，那么CP是守恒的。

在我们的宇宙中，引力、电磁和强相互作用似乎都符合C、P和CP，但弱相互作用不符合C、P和CP对称！特别是，含有粲夸克(C)和底夸克组成的B-介子的衰变会严重地破坏C、P和CP，这意味着粒子和它们的反粒子之间存在一些基本的行为差异。

存在破坏重子数守恒的相互作用，这是一个比较困难的问题，因为我们从来没有在实验中观察到违反重子数守恒的现象。

重子就是由三个夸克组成的任何粒子，比如质子或中子。（记住，夸克并不能单独存在，只存在于自然界的束缚态中!)

如果我们看看粒子物理的标准模型，我们就知道数学公式允许有这种相互作用。

下面是控制粒子物理标准模型的场方程。(请不要在意细节。)

重要的是，这个方程有一个重要的数学性质，即满足我们看到的许多粒子衰变所需要的异常，事实上，方程明确允许的是重子(例如质子)和轻子(例如电子)数的违反，而且它们必须同时一起违反，这意味着宇宙就有相同的重子和轻子总数！(这很好地解释了为什么宇宙初期的质子和电子的数量相等，以及为什么宇宙有质子和电子，而且依然是电中性的。)

就以上的三种情况当我们用在宇宙中的时候，就会出现问题。

宇宙不平衡的程度（这个没有问题）
标准模型中观察到的C-对称破缺和CP-对称破缺的粒子数量不足
标准模型中违反重子数守恒的量不足

我们没有足够的重子来违反守恒！

就我们目前所知标准模型，并不能解决正反物质不对称的问题(我们还是少了几千万个因素)。可能在更高能量的标准模型中会有更多违反CP的相互作用，只是我们还没有发现，但最常见的假设是，除了标准模型之外，还有更多的粒子允许CP-违反或重子数的违反。

一些可能性包括(但不限于):

依赖于超对称性的阿弗莱克-丁机制，
电弱标度下的标准模型扩展，
轻子形成，轻子的基本不对称被创造出来(可能来自于新的中微子物理学)，然后重子不对称由此产生，
在重子发生的尺度上，新的物理学在电弱统一和强大的力量的尺度上允许我们创造更多的物质而不是反物质。

这些对您来说可能是一些毫无意义的单词，所以下文只是通过一个示例来了解如何使用GUT-scale场景来实现宇宙正反物质的不对称性。(免责声明:目前物理学并没有解决这个问题，事实可能并非下文所述;此场景仅用于简单的说明。)

早期的宇宙充满了辐射，各种各样的粒子和反粒子，而正反粒子的数量相等。其中一些是夸克和反夸克，一些是轻子和反轻子，一些是玻色子(以及它们的反粒子;许多玻色子是它们自己的反粒子)等等。

假设现在有一种新的粒子同时与夸克和轻子结合，假设它是带电的。把它命名为Q粒子。

最初就像所有物质和反物质粒子一样，Q粒子成对地在早期炽热的宇宙中产生。有时Q+（物质的版本），发现了Q-（反物质的版本），它们快速湮灭，有时其他粒子以足够的能量碰撞又产生了Q+/Q-粒子对。

这在早期宇宙中持续了一段时间，随着空间膨胀宇宙冷却下来。这时，宇宙不能再产生新的Q+/Q-粒子对，虽然现有的一些Q+/Q-对会湮灭并再次成为辐射，但其余的不稳定的、短命的粒子再没有发生湮灭的时候已经衰变了。

由于粒子物理定律(即使我们允许对标准模型进行扩展)，仍然存在一些必须保持的对称性，Q+和Q-粒子必须相同:

总平均寿命，
衰变途径，以及
保持电荷，质量和“重子减去轻子”数。

在这个例子中，Q+和Q-都有相同的平均寿命，“重子减轻子”数为零，Q+可以衰变为质子和中微子对，或者反中子和反电子对，Q-可以衰变为反质子和反中微子对，或者中子和电子对。这些都违反了重子数和轻子数守恒，但不违反“重子减去轻子”的组合。这种情况是可能的，也是合理的，但是不会产生固有的重子不对称，除非我们引入CP-对称破缺。

如果没有cp对称破缺，我们所称的分支比，或者说Q+粒子和Q-粒子通过每个通道衰变的比例将是相同的。如果60%的Q+粒子衰变为质子和中微子，那么60%的Q-粒子将衰变为反质子和反中微子。对于Q+和Q-，其它的衰变通道可能都是40%，同样也保持了CP对称。

如果我们允许违反cp对称，则允许粒子和反粒子之间的衰变比率不同!只要Q+和Q-粒子的总衰变率相同，物理学定律仍然遵守这种行为。现在我们来介绍一些违反cp对称的例子。

请注意非常细微的区别:Q+仍然以与之前完全相同的方式衰变，但现在Q-衰变为更多的中子和电子，而衰变为更少的反质子和反中微子!

当所有的Q+和Q-粒子都衰变了，我们还剩下什么?