重子生成问题：反物质发生了什么

为什么我们会存在？这无疑是宇宙最大的存在问题。因为我们的理论和观察表明，每当物质产生时，都会产生等量的反物质。但是当物质和反物质相遇时，它们会在巨大的能量爆发中相互湮灭。因此大爆炸应该产生等量的物质和反物质，从而导致一阵阵的能量爆发，最后几乎什么也没有留下。

虽然一个由虚无组成的宇宙可能会有一个更简单的理论，但它显然不是我们的宇宙，因为我们所观察到的宇宙是由物质组成的。问题是为什么我们能看到的几乎所有东西都是由物质构成的，那些反物质去哪儿了？这是物理学中最大的谜题之一，为了找到可能的线索，我们必须求助于量子力学。

宇宙物质的最佳理论是粒子物理学的标准模型，该模型不仅描述了物质，还描述了物质如何与三种基本力相互作用。我们还有另一个理论：爱因斯坦的广义相对论，它描述了物质如何通过时空曲率在大尺度上相互作用。这两种理论几乎描述了我们所知道的关于宇宙如何运作的一切。但是，标准模型和广义相对论都无法解释为什么宇宙是物质的。

从无到有

我们必须解决的第一件事是事物如何从无到有的问题。这个问题是在量子力学之前提出的，但现在我们有了量子力学，它为我们提供了一个可行的解决方案。

如果有一个盒子，并且你拿出了盒子里的所有物体粒子和辐射，你可能会说这个盒子什么都没有了。但在量子力学中，那个盒子并不是真的一无所有，量子力学定律在那个盒子里仍然有效，这意味着它仍然会有量子涨落。这就是粒子可以在很短的时间内被创造和摧毁的想法，以至于我们不会真正注意到它们。

这些无法直接测量的虚拟粒子，我们知道它们在那里，因为我们可以检测它们的整体效应。空的空间有能量，它可以施加一种力，这可以从卡西米尔效应中看出。这种效应是由一组平行金属板的内部和外部之间的压力差引起的，而压力差是由内部与外部量子涨落的差异造成的。因此，当我们将空间的真空视为虚无时，我们必须记住它确实存在某种东西。而这种东西是由于量子力学定律，特别是海森堡不确定性原理。

但是当从真空中创造物质时，它也会产生等量的反物质。反物质就像物质一样，只是带有相反的电荷。例如，电子的反物质等价物是正电子，它就像电子一样，只是带正电荷而不是负电荷。同样，还有反中微子和反夸克。当物质和反物质碰撞时，它们会相互湮灭产生巨大的能量。一个简单的费曼图可以用来表示该过程，我们也可以将该图颠倒过来：能量变成物质和反物质。

所以，只要能量是守恒的，那么原则上就可以从空间的真空中产生等量的物质与反物质。假设今天的物理定律与宇宙开始时的物理定律相同，那么我们会期望看到反物质和物质一样多。然而，问题是，我们可以观察到的宇宙似乎都是物质，反物质似乎只占极小的一部分。所以我们需要弄清楚是什么导致了这种物质-反物质不对称，这个问题现在被称为重子生成问题。

萨哈罗夫的三个条件

在 138 亿年前，当宇宙诞生时，人们认为它是物质-反物质对称的，这意味着两者的数量相等。但在它存在的第一秒内，宇宙中几乎所有的反物质都消失了。所以宇宙要么优先创造物质，要么优先破坏反物质，但是什么原因造成的呢？

1967 年，俄罗斯核物理学家安德烈・萨哈罗夫提出，宇宙必须满足三个条件才能以不同的速率产生物质和反物质。这些条件如下：一是宇宙必须不平衡，二是宇宙必须表现出 C 和 CP 对称性违反，三是宇宙必须具有违反重子数守恒的相互作用。基本上，萨哈罗夫在数学上证明，如果满足这些条件，宇宙可以从等量的物质-反物质开始，但最终产生比反物质更多的物质。

让我们逐条来看看这些条件意味着什么。第一个条件对我们来说很容易，因为我们生活在一个正在膨胀的宇宙中，它不处于平衡状。

C 对称性代表电荷共轭对称性，它只是意味着物理定律应该同样适用于反物质。但是如果 C 对称性被破坏，物理定律在粒子和反粒子上就会表现得彼此相反。事实证明，弱力会破坏 C 对称性，如果你把一个左旋的中微子应用 C 变换使其成为一个反中微子，它不起作用。因为中微子总是左旋，而反中微子总是右旋。为了把中微子变成反中微子，还必须改变它的自旋方向，这需要所谓的 CP 变换。CP 对称性是 C 对称性和 P 对称性的组合，P 代表空间宇称，同样弱力也可以违反 CP 对称性。但遗憾的是，没有足够的违反 CP 的相互作用来解释我们在宇宙中看到的物质和反物质数量的差异。

最后一点也是一个问题。重子是由三个夸克组成的粒子，例如质子是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。一般来说，我们不能摧毁重子，只能改变它们。例如在 β 衰变中，中子可以变成质子，反之亦然。从一个重子开始，最后得到另一个重子，这就是重子数守恒。为了满足第三个条件，我们需要一个过程，例如一个质子可以变成两个质子，但在自然界中，我们从未观察到这种情况发生。

所以萨哈罗夫的第一个条件满足，第二个条件部分满足，第三个条件不满足，问题还是没有得到解决。问题仍然是，什么导致了物质-反物质不对称。

其他想法

有很多理论试图解决这个问题，最有趣的想法之一来自理查德・费曼指出的东西，他说反物质在数学上相当于普通物质在时间上向后移动。所以一些宇宙学家提出，也许在大爆炸时，反物质开始在时间上倒退，并且从未遇到过物质。这个想法是，如果你把宇宙钟倒回到大爆炸，然后继续倒带会发生什么？也许我们会看到一个由反物质组成的宇宙。

在我们的宇宙中，时间之箭有利于物质，而在另一个宇宙中，相反的时间箭头有利于反物质。当然，这个假设的最大问题是，每当我们在实验室中创造反物质时，它们实际上都在时间上向前而不是向后，所以上述假设不是真实的。

另一个想法是，也许物质和反物质分离得太快而无法湮灭彼此，并且在宇宙遥远的宇宙中可能存在镜像反物质星系。但如果是这种情况，我们预计会在物质和反物质的边界区域看到一些以高能伽马射线形式出现的巨大烟花，但我们没有观察到这种现象。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang