為什么我們會存在？這無疑是宇宙最大的存在問題。因為我們的理論和觀察表明，每當物質(zhì)產(chǎn)生時，都會產(chǎn)生等量的反物質(zhì)。但是當物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時，它們會在巨大的能量爆發(fā)中相互湮滅。因此大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，從而導(dǎo)致一陣陣的能量爆發(fā)，最后幾乎什么也沒有留下。

雖然一個由虛無組成的宇宙可能會有一個更簡單的理論，但它顯然不是我們的宇宙，因為我們所觀察到的宇宙是由物質(zhì)組成的。問題是為什么我們能看到的幾乎所有東西都是由物質(zhì)構(gòu)成的，那些反物質(zhì)去哪兒了？這是物理學(xué)中最大的謎題之一，為了找到可能的線索，我們必須求助于量子力學(xué)。

宇宙物質(zhì)的最佳理論是粒子物理學(xué)的標準模型，該模型不僅描述了物質(zhì)，還描述了物質(zhì)如何與三種基本力相互作用。我們還有另一個理論：愛因斯坦的廣義相對論，它描述了物質(zhì)如何通過時空曲率在大尺度上相互作用。這兩種理論幾乎描述了我們所知道的關(guān)于宇宙如何運作的一切。但是，標準模型和廣義相對論都無法解釋為什么宇宙是物質(zhì)的。

從無到有

我們必須解決的第一件事是事物如何從無到有的問題。這個問題是在量子力學(xué)之前提出的，但現(xiàn)在我們有了量子力學(xué)，它為我們提供了一個可行的解決方案。

如果有一個盒子，并且你拿出了盒子里的所有物體粒子和輻射，你可能會說這個盒子什么都沒有了。但在量子力學(xué)中，那個盒子并不是真的一無所有，量子力學(xué)定律在那個盒子里仍然有效，這意味著它仍然會有量子漲落。這就是粒子可以在很短的時間內(nèi)被創(chuàng)造和摧毀的想法，以至于我們不會真正注意到它們。

這些無法直接測量的虛擬粒子，我們知道它們在那里，因為我們可以檢測它們的整體效應(yīng)?？盏目臻g有能量，它可以施加一種力，這可以從卡西米爾效應(yīng)中看出。這種效應(yīng)是由一組平行金屬板的內(nèi)部和外部之間的壓力差引起的，而壓力差是由內(nèi)部與外部量子漲落的差異造成的。因此，當我們將空間的真空視為虛無時，我們必須記住它確實存在某種東西。而這種東西是由于量子力學(xué)定律，特別是海森堡不確定性原理。

但是當從真空中創(chuàng)造物質(zhì)時，它也會產(chǎn)生等量的反物質(zhì)。反物質(zhì)就像物質(zhì)一樣，只是帶有相反的電荷。例如，電子的反物質(zhì)等價物是正電子，它就像電子一樣，只是帶正電荷而不是負電荷。同樣，還有反中微子和反夸克。當物質(zhì)和反物質(zhì)碰撞時，它們會相互湮滅產(chǎn)生巨大的能量。一個簡單的費曼圖可以用來表示該過程，我們也可以將該圖顛倒過來：能量變成物質(zhì)和反物質(zhì)。

所以，只要能量是守恒的，那么原則上就可以從空間的真空中產(chǎn)生等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。假設(shè)今天的物理定律與宇宙開始時的物理定律相同，那么我們會期望看到反物質(zhì)和物質(zhì)一樣多。然而，問題是，我們可以觀察到的宇宙似乎都是物質(zhì)，反物質(zhì)似乎只占極小的一部分。所以我們需要弄清楚是什么導(dǎo)致了這種物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱，這個問題現(xiàn)在被稱為重子生成問題。

薩哈羅夫的三個條件

在 138 億年前，當宇宙誕生時，人們認為它是物質(zhì)-反物質(zhì)對稱的，這意味著兩者的數(shù)量相等。但在它存在的第一秒內(nèi)，宇宙中幾乎所有的反物質(zhì)都消失了。所以宇宙要么優(yōu)先創(chuàng)造物質(zhì)，要么優(yōu)先破壞反物質(zhì)，但是什么原因造成的呢？

1967 年，俄羅斯核物理學(xué)家安德烈?薩哈羅夫提出，宇宙必須滿足三個條件才能以不同的速率產(chǎn)生物質(zhì)和反物質(zhì)。這些條件如下：一是宇宙必須不平衡，二是宇宙必須表現(xiàn)出 C 和 CP 對稱性違反，三是宇宙必須具有違反重子數(shù)守恒的相互作用?；旧希_哈羅夫在數(shù)學(xué)上證明，如果滿足這些條件，宇宙可以從等量的物質(zhì)-反物質(zhì)開始，但最終產(chǎn)生比反物質(zhì)更多的物質(zhì)。

讓我們逐條來看看這些條件意味著什么。第一個條件對我們來說很容易，因為我們生活在一個正在膨脹的宇宙中，它不處于平衡狀。

C 對稱性代表電荷共軛對稱性，它只是意味著物理定律應(yīng)該同樣適用于反物質(zhì)。但是如果 C 對稱性被破壞，物理定律在粒子和反粒子上就會表現(xiàn)得彼此相反。事實證明，弱力會破壞 C 對稱性，如果你把一個左旋的中微子應(yīng)用 C 變換使其成為一個反中微子，它不起作用。因為中微子總是左旋，而反中微子總是右旋。為了把中微子變成反中微子，還必須改變它的自旋方向，這需要所謂的 CP 變換。CP 對稱性是 C 對稱性和 P 對稱性的組合，P 代表空間宇稱，同樣弱力也可以違反 CP 對稱性。但遺憾的是，沒有足夠的違反 CP 的相互作用來解釋我們在宇宙中看到的物質(zhì)和反物質(zhì)數(shù)量的差異。

最后一點也是一個問題。重子是由三個夸克組成的粒子，例如質(zhì)子是由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。一般來說，我們不能摧毀重子，只能改變它們。例如在 β 衰變中，中子可以變成質(zhì)子，反之亦然。從一個重子開始，最后得到另一個重子，這就是重子數(shù)守恒。為了滿足第三個條件，我們需要一個過程，例如一個質(zhì)子可以變成兩個質(zhì)子，但在自然界中，我們從未觀察到這種情況發(fā)生。

所以薩哈羅夫的第一個條件滿足，第二個條件部分滿足，第三個條件不滿足，問題還是沒有得到解決。問題仍然是，什么導(dǎo)致了物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱。

其他想法

有很多理論試圖解決這個問題，最有趣的想法之一來自理查德?費曼指出的東西，他說反物質(zhì)在數(shù)學(xué)上相當于普通物質(zhì)在時間上向后移動。所以一些宇宙學(xué)家提出，也許在大爆炸時，反物質(zhì)開始在時間上倒退，并且從未遇到過物質(zhì)。這個想法是，如果你把宇宙鐘倒回到大爆炸，然后繼續(xù)倒帶會發(fā)生什么？也許我們會看到一個由反物質(zhì)組成的宇宙。

在我們的宇宙中，時間之箭有利于物質(zhì)，而在另一個宇宙中，相反的時間箭頭有利于反物質(zhì)。當然，這個假設(shè)的最大問題是，每當我們在實驗室中創(chuàng)造反物質(zhì)時，它們實際上都在時間上向前而不是向后，所以上述假設(shè)不是真實的。

另一個想法是，也許物質(zhì)和反物質(zhì)分離得太快而無法湮滅彼此，并且在宇宙遙遠的宇宙中可能存在鏡像反物質(zhì)星系。但如果是這種情況，我們預(yù)計會在物質(zhì)和反物質(zhì)的邊界區(qū)域看到一些以高能伽馬射線形式出現(xiàn)的巨大煙花，但我們沒有觀察到這種現(xiàn)象。

本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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