宇宙最初正物質比反物質多時的景象如何？

電子和反電子質量相同，但有相反的電荷，質子與反質子也是這樣，粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質也都相反。138.17億年前，在宇宙大爆炸的那一刻，宇宙是歷史上最熱的時刻。每一種已知的粒子都大量存在，而且它們的反粒子數相等，並都迅速地、反覆地撞擊著周圍的一切。當粒子-反粒子對相遇時湮滅為純能量。

在非常年輕宇宙中所達到的高溫下，不僅粒子和光子能在給定足夠能量的情況下自發產生，還能產生反粒子和不穩定粒子，從而形成原始粒子和反粒子湯/混合物。圖片：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

博科園-科學科普：此外，任何能在這些能量下存在的東西（新的場、新的粒子，甚至是暗物質）也會在這些條件下自發地自我創造。但宇宙無法維持這樣的高溫，對稱的條件。很快，宇宙不僅會膨脹（早期為暴脹），而且會冷卻。在不到一秒的時間裡，這些不穩定粒子和反粒子消失了，這使得宇宙更偏愛物質而非反物質（也就是常說的正物質最終戰勝了反物質，從而創造了今天的宇宙萬物），下文就是為大家講述其發生的方式，你能堅持看完再做評論嗎？

早期的宇宙充滿了物質和輻射，而且是如此的炙熱和稠密，以至於它阻止了所有的複合粒子，比如質子和中子，在最初的一瞬間穩定地形成。然而一旦這樣，反物質就會湮滅，宇宙就會得到物質和輻射粒子海洋，並以接近光速的速度飛馳。圖片：RHIC COLLABORATION, BROOKHAVEN

在宇宙大爆炸的那一刻，宇宙充滿了所有可以被創造出來的東西，以達到最大總能量，只有兩個障礙存在：

1、必須有足夠的能量在碰撞中產生粒子或反粒子，正如愛因斯坦質能方程E=MC^2所給出的

2、必須保存所有需要在每一次相互作用中保持守恆的量子數

就是這樣，在早期的宇宙中，能量和溫度是如此之高，以至於不僅可以製造所有標準模型的粒子和反粒子，還可以創造任何其他能量允許的東西。這可能包括大量的右旋中微子、夸克和輕子的組合，超對稱粒子，甚至是在大統一理論中存在的高能玻色子。

玻色子和反玻色子之間的不對稱是大統一理論(如SU(5))的共同特徵，這可能導致物質和反物質之間的基本不對稱，就像在宇宙中觀測到的那樣。然而這需要某種新物理學的存在：要麼以新場的形式，要麼以新粒子的形式。

不確定這些粒子是否存在於我們的宇宙中，在理論上是可以的，但並不意味著它們在物理上必須存在。為了證明這一點，必須真正實現必要的能量來創造它們。這是一項艱巨的任務，因為在宇宙的早期階段所取得的能量大約是在歐洲核子研究中心大型強子對撞機粒子碰撞中所獲得最大能量的大約1萬億(10^12)倍。在人類歷史上創造的最強大能量，與早期宇宙相比就相形見絀了。

宇宙中與之相互作用的物質範圍從非常大的宇宙尺度到大約10 ^ -19米，熱大爆炸達到的尺度下比普朗克能量低約1000倍。圖片：新南威爾士大學物理學院

當宇宙膨脹的時候不僅變得不那麼稠密，而且逐漸冷卻了。決定任何量子輻射能量的一個因素是波長：短波意味著更高的能量，而長波長則意味著更低的能量。當宇宙處於最熱和密度最大的時候，波長是最短的。但是隨著空間結構的膨脹，其中的輻射波長會變長。

隨著宇宙結構的膨脹，任何輻射的波長也會被拉長，這導致宇宙能量減少（不是總能量減少），並使許多在早期自發發生的高能過程在以後更冷的時代變得不可能。圖片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

這意味著在非常短的時間內，膨脹的宇宙會急劇降溫。隨著能量的降低，創造一個給定質量的粒子變得越來越困難。E=mc^2是雙向的：粒子-反粒子對可以湮滅在輻射中，但碰撞也會自發產生粒子-反粒子對。如果在標準模型中有新的粒子(和/或反粒子)，是在超高能量下產生的，但是當宇宙低於一定的閾值溫度時，就會停止產生。

從純能量中產生物質/反物質對(左)是一個完全可逆的反應(右)，物質/反物質湮滅回純能量。這種創造和湮滅的過程，遵循E=mc^2，是唯一已知的創造和毀滅物質或反物質的方法，在低能量中，粒子反粒子創造被抑制了。圖片：DMITRI POGOSYAN /阿爾伯塔大學

從那時起剩下的粒子和/或反粒子會怎麼樣？有三種可能性：

1、它們會湮滅，就像粒子-反粒子對一樣，直到密度足夠低，以至於它們再也找不到彼此碰撞

2、它們像所有不穩定的粒子一樣，衰變為任何可以被物理定律所允許的衰變產物

3、它們碰巧是穩定的，並且一直保持到今天，在那裡它們影響著宇宙並且可以被探測到

宇宙網是由暗物質驅動的，暗物質可能來自宇宙早期形成的粒子，這些粒子不會衰變，而是一直保持穩定直到今天。圖片：RALF KAEHLER, OLIVER HAHN AND TOM ABEL (KIPAC)

第一種可能發生在所有能想到的事情上，但總是留下一些殘留的粒子。如果剩餘的物質是穩定的，那麼它就是一個極好的暗物質候選者。右旋中微子和最輕的超對稱粒子在這種情況下成為極佳暗物質候選者：

1、粒子比較大

2、被大量地創造出來

3、然後有些消失了

4、剩下的留到今天

5、它們不再與當今宇宙中的任何粒子發生實質性的相互作用

這是暗物質的完美「配方」，但如果剩餘的物質不穩定，比如假設的超重玻色子粒子在大統一情況下出現，就會創造出一個擁有更多物質而非反物質的宇宙。

隨著宇宙的膨脹和冷卻，不穩定的粒子和反粒子會衰變，而物質-反物質對會湮滅，光子不能再以足夠高的能量碰撞產生新粒子。但是總是會有剩下的粒子再也無法找到對應的反粒子。它們要麼是穩定的，要麼會衰變，但都對宇宙有影響。圖片：E. SIEGEL

我們來舉例說明：在標準模型中有兩種類型的費米子：夸克，構成原子核，和輕子，電子或中微子。夸克包含一個量子數，稱為重子數。一個重子(比如質子或中子)需要三個夸克，所以每個夸克的重子數都是+1/3。每個輕子都是它自己的「實體」，所以每個電子或中微子都有+1的輕子數。

反夸克和反輕子對輕子和重子數有相應的負值。如果大的統一是正確的，那麼就應該有新的超重粒子，我們稱之為X和Y，也應該有它們的反物質對應物：反X和反Y。然而這些新的X、Y、反X和反Y粒子只有一個組合的B-L數，或者重子數減去輕數，而不是重子或輕子數。

除了宇宙中的其他粒子之外，如果大統一理論的概念適用於我們的宇宙，那麼將會有更多的超重玻色子、X和Y粒子，以及它們的反粒子，在早期宇宙中其他粒子的熱海中顯示出它們適當電荷。圖片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

在高能量下，大量的新粒子和反粒子被創造出來。然而一旦宇宙膨脹和冷卻，它們要麼湮滅，要麼衰變，而不會產生新的能量。物理學中有一個強大的定理，它決定了這些粒子是如何衰變的。任何X或Y粒子表現出來的衰變，反X或反Y粒子都需要有相應的反粒子衰變路徑，這種對稱性必須存在。但不需要對稱的是衰變分支比，即粒子或反粒子的衰變路徑。我們已經看到這些比率在標準模型中是不同的，如果它們在這些假設的新粒子中是不同的，就可以自然而然地得到一個更喜歡物質而不是反物質的宇宙。

如果讓X和Y粒子衰變為圖所示的夸克和輕子組合，它們的反粒子對應物將衰變為各自的反粒子組合。但如果違反CP對稱，那麼X和Y粒子的衰變路徑（或者說粒子以不同方式衰變的百分比）可能與反X和反Y粒子不同，導致重子在反重子上產生凈產物，而輕子在反輕子上產生凈產物。圖片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

假設X粒子有兩條路徑：衰變為兩個上夸克或一個下夸克和一個正電子。反X必須有相應的路徑：兩個反上夸克或一個下夸克和一個電子。在這兩種情況下，X都有B - L(+2/3)，而反X有-2/3。對於Y/反Y粒子情況類似。但這就是如何創造一個物質多於反物質的宇宙：X更可能衰變為兩個上夸克，而反X更可能衰變為兩個上夸克，而反X更可能衰變為一個下夸克和一個電子，而不是X衰變為一個下夸克和正電子。如果有足夠的X/反X和Y/反Y對，它們會以這種方式衰變，那麼將會在反重子(以及在反輕子/輕子)上得到一個多餘的重子。

如果粒子按照上面描述的機制衰變，將會在反夸克上留下多餘的夸克(和在反輕子/輕子)。當多餘的粒子-反粒子對湮滅後(與虛線匹配)，將會是剩餘的夸克，它們組成質子和中子，上夸克和下夸克組合，而電子則與質子數相匹配。圖片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

這只是已知三種可行方案中的一種，它們可能會導致今天我們所居住物質豐富的宇宙，另外兩種情況分別涉及到新中微子物理或電弱尺度的新物理。然而在所有情況下，這都是早期宇宙的非平衡性質，它創造了一切在高能下允許的東西，然後冷卻到不穩定的狀態，這使得產生的物質多於反物質。

可以從一個完全對稱的宇宙開始，在一個非常熱的狀態下，通過冷卻和膨脹，最終得到一個物質控制的宇宙。宇宙不需要與生俱來的反物質（或者說反物質多於正物質的宇宙）大爆炸可以自發地從無到有。人類最早的尋找「製造」反物質：1995年歐洲核子研究中心的科學家在實驗室中製造出了世界上第一批反物質——反氫原子。1996年美國的費米國立加速器實驗室成功製造出7個反氫原子。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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