为什么我们都是由物质组成？而不是反物质？

这是《万有理论》系列文章的第3篇

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。

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。

（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）

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：

1. 偏离热平衡。

2. 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。

3. 存在破坏重子数守恒的相互作用。

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）

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。

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）

宇称和电荷共轭都被破坏了，那么有没有这样一种可能性：如果我们能够建造一个魔镜，它不仅能反射左和右，还能把粒子变成反粒子，那么自然有没有可能在宇称（P）和电荷共轭（C）的联合操作下不变。好景不长，在1964年的时候科学家也找到了CP对称被破坏的证据。

在自然界中，我们观测到了粒子，比如重夸克衰变的时候违反CP守恒。但是我们从来没观测到Sakharov提出的第三种条件：存在破坏重子数的相互作用。尽管，更严格的说是，标准模型只规定 B - L 守恒，或重子数（B）减去轻子数（L）。根据粒子物理学的标准模型，我们知道它可以——不，是必须——存在破坏重子数守恒的相互作用。

下面我要给你们看的是支配粒子物理学标准模型的场方程：

格拉肖-温伯格-萨拉姆的弱电统一模型中的拉格朗日量。（© Max Planck Institute for Nuclear Physics Heidelberg）

不要太在意细节，重要的是这个方程告诉我们重子数守恒是可以被破坏的。事实上，它明确地允许重子（比如质子）数和轻子（比如电子）数必须同时一起被破坏，这就意味着宇宙必须有同样数量的重子和轻子！（这几乎解释了为什么有相同数量的质子和电子，因此即使宇宙拥有带电的质子和电子，但依然是电中性的。）

当然，问题是我们要知道这三个条件的量。我们是否有足够的重子数破坏？

在不同标准模型的扩展中的电子偶极矩。（© Gabrielse group and D. DeMille）

就我们目前所知，答案似乎是不够。或许在高能量的情况下，标准模型中存在更多破坏CP对称的相互作用，只是我们还没有发现而已。但物理学家更偏向于认为答案隐藏在超越标准模型的新理论中。在许多标准模型的扩展理论中，比如新的弱电物理、高能轻子物理、超对称或大统一理论，都预言了大量重子数破坏的可能。

宇宙的不同时期，包括下文会提到的最早期的普朗克时期，以及之后的大统一时期和电弱时期。（© ESA）

这些理论或许能够帮助我们回答重子数产生的问题：

1. 轻子数不对称产生机制（Leptogenesis）：该假设认为在宇宙早期炽热的环境中充满了中微子的堂兄（较重）。它们更倾向于衰变成反轻子，而不是轻子（轻子包括电子、中微子等）。通过高温量子隧穿事件，即sphaleron过程，多余的反轻子会转换成我们今天看到的过量的重子。许多实验正在寻找这些罕见的衰变，希望能告诉我们重的中微子是否存在。

通过Sphaleron过程产生重子。（© arXiv:1206.2942）

2. 电弱重子数产生机制（Electroweak baryogenesis, EWBG）：这是解释宇宙中重子不对称最具有吸引力和前景的理论之一。从名字就可以猜出，EWBG是指任何在宇宙早期电弱相变时期产生的重子密度不对称的机制，但只有在EWSB是一级相变的情况，类似水分蒸发。在空间中，布满了一个场的能量泡，这个场就是希格斯场。在能量泡外的空间的反轻子会通过sphaleron过程转化成重子。而在泡里面的空间就不会。从希格斯的质量我们知道，EWSB的温度过低不足以产生一级相变。但是，如果在高能下我们能够找到类似希格斯的粒子，这个理论就是可行的。

3. Affleck-Dine机制：超对称理论假设标准模型中的每个基本粒子都有一种被称为超对称伙伴的粒子与之匹配。如果这个理论正确，那么在宇宙暴胀期间，已知粒子的超对称伙伴会进行CP破坏衰变，从而产生过量的重子。但到目前为止，大型强子对撞机都没有找到任何超对称粒子。

4. 普朗克/大统一重子数产生机制（Planck/GUT-scale baryogenesis）：重子数产生或许发生在接近时间的开端，在触不可及的高能下，即大统一尺度或普朗克尺度。在那个尺度下，标准模型不再适用。对质子衰变的测量或许有一天能够帮助我们理解大统一尺度的物理定律，但如果重子数产生发生在普朗克尺度，我们或许永远无法用实验发现或验证其背后的机制。

Sakharov提出的三个条件肯定存在于我们的宇宙之中，我们需要回答的唯一问题是“要怎么得到今天所观测到的物质-反物质不对称的量？” 虽然我们还没有得到完整的答案，但我相信在不久的将来，这是众多关于“从何而来”的问题里可以被解决的一个。

参考文献：

【1】G. Steigman (2007). "Primordial Nucleosynthesis in the Precision Cosmology Era". Annual Review of Nuclear and Particle Science. 57: 463–491.

【2】https://arxiv.org/abs/1206.2942

【3】Affleck, I.; Dine, M. (1985). "A new mechanism for baryogenesis". Nuclear Physics B, Particle Physics. B249 (2): 361–380. 

【4】https://arxiv.org/abs/hep-ph/9606260

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