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物质不能凭空产生和消失,那问题来了,现今宇宙的物质是咋来的?

先说一个基本的概念问题,标题中的第一段话是我们容易产生的误解。宇宙并有没所谓的物质/质量守恒,这已经是一个过时的概念!这个说法只是在当时科学认知还不是很清楚的时候提出的,主要是当时认为一些化学反应前后的反应物和生成物的质量相等,在爱因斯坦提出质能方程以后,我们才知道质量其实是能量的一种表现形式而已。化学反应中释放的能量,会造成极小的质量损失,当时无法测出,才会认为物质守恒。

这样说来,宇宙的基本守恒定律其实是能量守恒。因此这就为物质的创伤和毁灭创造了条件。要想知道宇宙的物质是咋来的?我们必须回到宇宙的早期看到到底发生了什么?

一个膨胀的宇宙势必会带来热大爆炸

在我们的生活中,我们每时每刻都会和各种物质接触,而我们也属于物质的一部分。纵观整个宇宙,其中充满了行星、恒星、星系乃至星系团,甚至是我们提出还未明确发现的暗物质,我们不仅会想:宇宙为何有物质,而不是什么都没有?

1923年哈勃的出色工作为人类揭示了宇宙的范围不仅仅是我们自己的银河系,因为他发现了仙女座星云远在几百万光年之外,并且更是惊人的发现宇宙在膨胀,因为他发现来在遥远星系得光发生了红移。这就为我们思考宇宙起源提供了一个绝佳的思路。

你看,随着时间的推移宇宙在膨胀,那我们反过来想,如果追溯遥远的过去,宇宙的体积是不是更小,我们还知道辐射的波长会随着宇宙的膨胀而被拉长并损失能量、物质粒子会随着宇宙的膨胀而被稀释、热粒子会随着宇宙的膨胀降低动能变成冷粒子,这就说明在遥远的过去,宇宙的温度更高、密度更大!

这也说明在一定的时期,宇宙中我们现存的中性原子并不会存在,而是由原子核、电子、辐射组成的高温浓汤,因为这时的温度可以高到电离任何中性原子。而原子核和电子想要结合在一起,就会被一个高能光子炸开。

如果温度再高呢?相信你也能猜出来,温度再高甚至连原子核都无法形成。这一点跟中性原子的情况一样。此时的宇宙是由质子、中子、电子和任何可能存在的高能粒子组成。而这些粒子就组成了我们现在看到的物质宇宙。但是这些物质粒子怎么来的?

正反物质不对称问题

如果我们回到宇宙的早期,能量会高到让两个相撞的光子自发的产生物质/反物质对。按理来说,能量自发产生的正反物质对是完全对称的。也就是说,产生一个正粒子就会相应产生一个反粒子,然后正反粒子瞬间湮灭,又将能量归还给宇宙。但是我们的宇宙貌似更加偏爱于物质,产生了比反物质多了十亿分之一的物质粒子。这就是所谓的正反物质不对称问题。

尽管我们现在还不清楚宇宙是怎么获得物质与反物质之间的不对称,但关于这个不对称的事实,我们还是提出了一些解决的方案。就观测而言,我们可以肯定的有以下这些事实:

  • 当前的宇宙中,物质确实多于反物质。
  • 目前已经发现的所有恒星、星系和星系团,都由物质组成,而没有反物质。
  • 通过在地球上的实验室中对宇宙中的情况进行模拟,在所能达到的能量范围之内,我们尚未在任何反应中观察到重子(如质子和中子)多于反重子(如反质子和反中子),或轻子(如电子和中微子)多于反轻子(如正电子和反中微子)的情况。
  • 在目前最佳的测量技术下,我们测得宇宙中的光子数是重子数(以及轻子数)的

16亿倍。

虽然重子的数量与光子相比看起来少得可怜,但请别忘了宇宙有多么巨大。假如要把宇宙中的所有原子都摆匀,让宇宙的密度各处一致,那么结果就是每4立方米的空间之内会有1个氢原子。作为对比,自大爆炸时遗留下来的光子仅在每1立方厘米的空间内就要有411个。二者尽管数量悬殊,但就整个宇宙而言,其数量都多得令人惊叹,而且十分重要。

那么,物质多于反物质的情况是如何出现的呢?

如果宇宙开始于某个物质和反物质总量相等的高能量状态,后来演化至物质比反物质多一点的低能量状态,那么宇宙一定是在膨胀并冷却的过程中发生了某些事情。苏联物理学家萨哈罗夫(Andrei Sakharov)经过研究,在1967年率先指出,只需发生三件事情就可以让上述过程成真,也就是让物质对于反物质。这三件事也是宇宙必须具有的三种属性,如今被称为“萨哈罗夫条件”:

  • 宇宙必须偏离热平衡态。
  • 宇宙的三种基本对称性中的两种必须被破坏,即电荷共扼(C-对称性)、电荷共轭宇称(CP-对称性)。
  • 必须有某种相互作用去破坏重子数的守恒。

这三件事必须同时发生,否则如今宇宙中的物质和反物质的数量仍然不会不对等。最容易满足的是第一个条件:不断膨胀的宇宙,本身就是一个绝好的非热平衡系统!

到目前为止我们已经发现了三类能够表现出C-对称破缺和CP-对称破缺的粒子,它们都是中性介质(夸克/反夸克对),包括奇夸克、底夸克以及粲夸克。由于这些粒子在膨胀并冷却的、非热平衡的早期宇宙中存在并发生了不对称的衰表,所以我们的宇宙符合前两种条件。

那么,第三个条件呢?记住,当我们说“重子数”时,意思是用重子(例如质子、中子等)的总数减去反重子(例如反质子、反中子)的总数,每个质子的重子数算作1(每

个反质子的重子数则算为-1)。为了产生出物质与反物质的不对称性,需要一种使重子数破缺的反应。并且,因为宇宙看上去拥有与质子数量相同的电子,应该也有与之相应的使轻子数破缺的反应,所以电子是为了每颗质子的产生而产生的。在所有已知的粒子和它们之间的反应中,我们通过实验室里的工作,还没能使这些粒子不依靠外部力量而破缺其重子数和轻子数,同时也不知道实现这一目标所需的条件。

但根据关于基本粒子及其相互作用的“标准模型”,只要重子数(B)与轻子数(L)的差是守恒的(B-L=0)是守恒的,重子数守恒和轻子数守恒都应该有可能被打破。萨哈罗夫的第三个条件,可以说是我们研究物质与反物质的不对称性时最大的不确定性的来源,也是三个条件中目前唯一有待实验验证的。

以上就是宇宙中物质的来源,也是一个现今物理学的未解之谜。但你只需要记住,宇宙只有能量守恒,能量可以通过爱因斯坦的质能方程可以自发的产生物质和反物质,但宇宙在膨胀冷却的途中,放了一了一些我们目前不明确的破坏重子数/轻子数守恒的反应,而导致了正反物质的不对成,让宇宙的能量以小部分物质的形式保留了下来,产生了现在我们看到的物质宇宙、产生了你和我。

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来自:报晓7943071  > 宇宙太空
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