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为什么我们都是由物质组成?永信贵宾会而不是反物质?
2019-11-27 08:03

根据大爆炸再论,宇宙在大爆炸中正、反电子,正、反夸克等基本粒子都是从能量中成对产生的,由于正、反粒子相遇时会双双淹灭而成为能量,那么,宇宙中应该只有能量,而不会有组成恒星、行星和宇宙尘埃、星际气体等物质存在。 在1956年以前,人们认为,基本粒子都服从电荷和时间对称,也服从CP和CPT联合对称。 1956年,李政道、杨振宁发现,制约物质衰变的弱核作用力,会使粒子的镜像产生差异,也就是使这种对称不守恒,这被称为“宇宙不守恒”。同一年吴健雄证实了这一现象。 1964年,克罗宁和费兹通过研究K介子衰变发现,粒子衰变连CP联合对称也不服从。 1967年,萨哈罗夫推断,在高能下由于基本粒子的CP联合对称不守恒,正、反粒子的衰变率存在微小差异,使正粒子稍多于负粒子。 由此人们推论,在宇宙大爆炸中,每产生10亿个反粒子,就会有10亿零1个正粒子产生,正粒子比反粒子多一个。因此,每10亿个正、反粒子湮灭后,都会剩下一个正粒子,这就构成了今日宇宙中的物质。

我们先来看两个看起来相互矛盾的事实:

当我们观测宇宙时,我们看到行星和恒星,星系和星系团,散布在星际间的气体和尘埃等等。我们会发现到处都有着同样的特点。我们会看到原子的吸收和发射线,物质和其它物质之间的相互作用,恒星的诞生和死亡,碰撞等等。

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在星系中的恒星、星系、气体和尘埃都是由物质构成的。(© Hubblesite)

接着,我们看第二个事实:

我们观测过的所有粒子之间的相互作用,无论是在什么能量等级,当一个粒子被制造或摧毁的时候,总是会伴随着一个反粒子被制造或摧毁。物质和反物质之间严格遵守着物理对称。例如,每当一个夸克(或轻子)被制造(或摧毁)的时候,也会有一个反夸克(或反轻子)被制造(或摧毁)。也就是说,在宇宙大爆炸后,粒子和反粒子应该等量地产生。

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(a)成对产生:光子相遇时会产生一个粒子和一个反粒子;(b)湮灭:当一个粒子和反粒子相遇会通过光子的形式释放能量。(© Dmitri Pogosyan)

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我们知道,当物质和反物质相遇的时候,比如质子和反质子相遇,会导致两者湮灭,而释放出高能光子。但是,我们没有观测到在大尺度下物质和反物质之间发生的湮灭。我们没有看到任何证据表明行星、恒星或星系是由反物质构成的。所有的证据都表明,宇宙中的万物都是由物质构成的,而不是反物质。(如果你想了解更多反物质,可查看《关于反物质你可能想要知道的10件事》。)

所以,一方面我们从实验结果中看到,当我们制造或摧毁物质时,肯定会有等量的反物质被制造或摧毁。另一方面,我们知道你、我和宇宙间的所有物体都是由物质组成的。

如果在物质和反物质之间的物理定律完全对称,那为什么今天看到的宇宙都是由物质构成的?这个问题被称为重子数产生(Baryonesis),是基本物理学中最大的未解之谜之一。当然,如果不是这样的话,我们也不会存在,更不会提出这样的疑问。

注:重子是指由三个夸克或反夸克组成的复合粒子,比如构成生活中一切物质的质子和中子。重子数则是粒子物理学中定义的一个量子数,用字母B表示。重子的重子数为+1,反重子的重子数为-1,其它粒子如轻子和介子的重子数为0.

面对这个问题,我们现在有两个选项:要么是宇宙诞生的时候物质就比反物质更多;要么就是在炽热和致密的宇宙早期发生了什么,从而导致物质和反物质(一开始都没有)之间的不对称。虽然我们不能排除前者的可能性,但是我们无法验证它,除非我们能够重演宇宙大爆炸。但如果后者是正确的,我们就可以想办法找出答案。

1968年,科学家迈出了重要的一步,苏联物理学家Andrei Sakharov意识到,如果宇宙满足三个条件,那么物质/反物质不对称就是不可避免的。这三个条件分别是:

偏离热平衡。

存在破坏C对称(电荷共轭对称)和CP对称(电荷共轭与宇称联合对称性)的相互作用。

存在破坏重子数守恒的相互作用。

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宇宙不断地在膨胀和冷却。(© E.Siegel)

第一个很容易达到。如果宇宙是广袤,膨胀和冷却的,并且由广义相对论和量子场论支配,那么就已经创造了一个热平衡偏离的状态!记住,平衡是指在一个系统里所有的粒子之间都有机会相互交流,或者说交换信息。但是,在一个膨胀,冷却的宇宙中,在宇宙的一边和另一边的粒子之间是没有因果接触的;事实上,在早期的宇宙中就有许多区域之间都是因果不接触的,甚至连光也没有足够的时间从一个区域传播到另一个区域。

我们再来看第二个条件。C对称关心的是如果电荷对换了会发生什么。我们知道粒子和它的反粒子有完全相同的质量,但电荷却相反。通过一个电荷共轭的操作,相当于在一个物理过程中把所有的粒子用相应的反粒子替代。我们可以想象一个由反物质构成的反世界。根据电荷共轭对称推断,我们的世界和反世界的物理定律应该完全一样。但如果C对称被违反了,粒子和反粒子之间的行为就会相反!观测表明,在弱相互作用(包括放射性衰变),C对称是可以被破坏的。

弱相互作用破坏电荷共轭不变性:所有的中微子都是左手的,没有右手中微子的存在。所有的反中微子都是右手的,没有左手的反中微子存在。(© E. Siegel)

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P对称是指镜像对称,也被称为宇称不变性。当你照镜子的时候,镜中的你跟现实中的你正好左右相反。如果你举起右手,镜像中的你就会举起左手。现在想象有一个镜像宇宙,在这个宇宙中所有的东西都是相反的。在这个宇宙的我们都是左边驾驶的,太阳会打西边升起,从东边日落等等。但基本上没有任何其它东西会改变,事实上我们只要把左边和右边的概念对换一下就会跟我们身处的这个宇宙没有任何区别。在大多数情况下,自然并不区别左和右,宇称是守恒的。这样的情况维持到了1956年,直到杨振宁和李政道提出了在弱相互作用中宇称不守恒。

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一个逆时针转的介子(左上)衰变并往北射出电子。在P变换下(右上),介子顺时针衰变并往北射出电子;在C变换下(左下),逆时针转的反介子衰变并往北射出电子;在CP联合变化下(右下),该粒子变成顺时针的反介子衰变,并往北射出电子。(© E. Siegel)

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