宇宙最初正物质比反物质多时的景象如何？

电子和反电子质量相同，但有相反的电荷，质子与反质子也是这样，粒子与反粒子不仅电荷相反，其他一切可以相反的性质也都相反。138.17亿年前，在宇宙大爆炸的那一刻，宇宙是历史上最热的时刻。每一种已知的粒子都大量存在，而且它们的反粒子数相等，并都迅速地、反复地撞击着周围的一切。当粒子-反粒子对相遇时湮灭为纯能量。

在非常年轻宇宙中所达到的高温下，不仅粒子和光子能在给定足够能量的情况下自发产生，还能产生反粒子和不稳定粒子，从而形成原始粒子和反粒子汤/混合物。图片：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

博科园-科学科普：此外，任何能在这些能量下存在的东西（新的场、新的粒子，甚至是暗物质）也会在这些条件下自发地自我创造。但宇宙无法维持这样的高温，对称的条件。很快，宇宙不仅会膨胀（早期为暴胀），而且会冷却。在不到一秒的时间里，这些不稳定粒子和反粒子消失了，这使得宇宙更偏爱物质而非反物质（也就是常说的正物质最终战胜了反物质，从而创造了今天的宇宙万物），下文就是为大家讲述其发生的方式，你能坚持看完再做评论吗？

早期的宇宙充满了物质和辐射，而且是如此的炙热和稠密，以至于它阻止了所有的复合粒子，比如质子和中子，在最初的一瞬间稳定地形成。然而一旦这样，反物质就会湮灭，宇宙就会得到物质和辐射粒子海洋，并以接近光速的速度飞驰。图片：RHIC COLLABORATION, BROOKHAVEN

在宇宙大爆炸的那一刻，宇宙充满了所有可以被创造出来的东西，以达到最大总能量，只有两个障碍存在：

1、必须有足够的能量在碰撞中产生粒子或反粒子，正如爱因斯坦质能方程E=MC^2所给出的

2、必须保存所有需要在每一次相互作用中保持守恒的量子数

就是这样，在早期的宇宙中，能量和温度是如此之高，以至于不仅可以制造所有标准模型的粒子和反粒子，还可以创造任何其他能量允许的东西。这可能包括大量的右旋中微子、夸克和轻子的组合，超对称粒子，甚至是在大统一理论中存在的高能玻色子。

玻色子和反玻色子之间的不对称是大统一理论(如SU(5))的共同特征，这可能导致物质和反物质之间的基本不对称，就像在宇宙中观测到的那样。然而这需要某种新物理学的存在：要么以新场的形式，要么以新粒子的形式。

不确定这些粒子是否存在于我们的宇宙中，在理论上是可以的，但并不意味着它们在物理上必须存在。为了证明这一点，必须真正实现必要的能量来创造它们。这是一项艰巨的任务，因为在宇宙的早期阶段所取得的能量大约是在欧洲核子研究中心大型强子对撞机粒子碰撞中所获得最大能量的大约1万亿(10^12)倍。在人类历史上创造的最强大能量，与早期宇宙相比就相形见绌了。

宇宙中与之相互作用的物质范围从非常大的宇宙尺度到大约10 ^ -19米，热大爆炸达到的尺度下比普朗克能量低约1000倍。图片：新南威尔士大学物理学院

当宇宙膨胀的时候不仅变得不那么稠密，而且逐渐冷却了。决定任何量子辐射能量的一个因素是波长：短波意味着更高的能量，而长波长则意味着更低的能量。当宇宙处于最热和密度最大的时候，波长是最短的。但是随着空间结构的膨胀，其中的辐射波长会变长。

随着宇宙结构的膨胀，任何辐射的波长也会被拉长，这导致宇宙能量减少（不是总能量减少），并使许多在早期自发发生的高能过程在以后更冷的时代变得不可能。图片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

这意味着在非常短的时间内，膨胀的宇宙会急剧降温。随着能量的降低，创造一个给定质量的粒子变得越来越困难。E=mc^2是双向的：粒子-反粒子对可以湮灭在辐射中，但碰撞也会自发产生粒子-反粒子对。如果在标准模型中有新的粒子(和/或反粒子)，是在超高能量下产生的，但是当宇宙低于一定的阈值温度时，就会停止产生。

从纯能量中产生物质/反物质对(左)是一个完全可逆的反应(右)，物质/反物质湮灭回纯能量。这种创造和湮灭的过程，遵循E=mc^2，是唯一已知的创造和毁灭物质或反物质的方法，在低能量中，粒子反粒子创造被抑制了。图片：DMITRI POGOSYAN /阿尔伯塔大学

从那时起剩下的粒子和/或反粒子会怎么样？有三种可能性：

1、它们会湮灭，就像粒子-反粒子对一样，直到密度足够低，以至于它们再也找不到彼此碰撞

2、它们像所有不稳定的粒子一样，衰变为任何可以被物理定律所允许的衰变产物

3、它们碰巧是稳定的，并且一直保持到今天，在那里它们影响着宇宙并且可以被探测到

宇宙网是由暗物质驱动的，暗物质可能来自宇宙早期形成的粒子，这些粒子不会衰变，而是一直保持稳定直到今天。图片：RALF KAEHLER, OLIVER HAHN AND TOM ABEL (KIPAC)

第一种可能发生在所有能想到的事情上，但总是留下一些残留的粒子。如果剩余的物质是稳定的，那么它就是一个极好的暗物质候选者。右旋中微子和最轻的超对称粒子在这种情况下成为极佳暗物质候选者：

1、粒子比较大

2、被大量地创造出来

3、然后有些消失了

4、剩下的留到今天

5、它们不再与当今宇宙中的任何粒子发生实质性的相互作用

这是暗物质的完美“配方”，但如果剩余的物质不稳定，比如假设的超重玻色子粒子在大统一情况下出现，就会创造出一个拥有更多物质而非反物质的宇宙。

随着宇宙的膨胀和冷却，不稳定的粒子和反粒子会衰变，而物质-反物质对会湮灭，光子不能再以足够高的能量碰撞产生新粒子。但是总是会有剩下的粒子再也无法找到对应的反粒子。它们要么是稳定的，要么会衰变，但都对宇宙有影响。图片：E. SIEGEL

我们来举例说明：在标准模型中有两种类型的费米子：夸克，构成原子核，和轻子，电子或中微子。夸克包含一个量子数，称为重子数。一个重子(比如质子或中子)需要三个夸克，所以每个夸克的重子数都是+1/3。每个轻子都是它自己的“实体”，所以每个电子或中微子都有+1的轻子数。

反夸克和反轻子对轻子和重子数有相应的负值。如果大的统一是正确的，那么就应该有新的超重粒子，我们称之为X和Y，也应该有它们的反物质对应物：反X和反Y。然而这些新的X、Y、反X和反Y粒子只有一个组合的B-L数，或者重子数减去轻数，而不是重子或轻子数。

除了宇宙中的其他粒子之外，如果大统一理论的概念适用于我们的宇宙，那么将会有更多的超重玻色子、X和Y粒子，以及它们的反粒子，在早期宇宙中其他粒子的热海中显示出它们适当电荷。图片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

在高能量下，大量的新粒子和反粒子被创造出来。然而一旦宇宙膨胀和冷却，它们要么湮灭，要么衰变，而不会产生新的能量。物理学中有一个强大的定理，它决定了这些粒子是如何衰变的。任何X或Y粒子表现出来的衰变，反X或反Y粒子都需要有相应的反粒子衰变路径，这种对称性必须存在。但不需要对称的是衰变分支比，即粒子或反粒子的衰变路径。我们已经看到这些比率在标准模型中是不同的，如果它们在这些假设的新粒子中是不同的，就可以自然而然地得到一个更喜欢物质而不是反物质的宇宙。

如果让X和Y粒子衰变为图所示的夸克和轻子组合，它们的反粒子对应物将衰变为各自的反粒子组合。但如果违反CP对称，那么X和Y粒子的衰变路径（或者说粒子以不同方式衰变的百分比）可能与反X和反Y粒子不同，导致重子在反重子上产生净产物，而轻子在反轻子上产生净产物。图片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

假设X粒子有两条路径：衰变为两个上夸克或一个下夸克和一个正电子。反X必须有相应的路径：两个反上夸克或一个下夸克和一个电子。在这两种情况下，X都有B - L(+2/3)，而反X有-2/3。对于Y/反Y粒子情况类似。但这就是如何创造一个物质多于反物质的宇宙：X更可能衰变为两个上夸克，而反X更可能衰变为两个上夸克，而反X更可能衰变为一个下夸克和一个电子，而不是X衰变为一个下夸克和正电子。如果有足够的X/反X和Y/反Y对，它们会以这种方式衰变，那么将会在反重子(以及在反轻子/轻子)上得到一个多余的重子。

如果粒子按照上面描述的机制衰变，将会在反夸克上留下多余的夸克(和在反轻子/轻子)。当多余的粒子-反粒子对湮灭后(与虚线匹配)，将会是剩余的夸克，它们组成质子和中子，上夸克和下夸克组合，而电子则与质子数相匹配。图片：E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

这只是已知三种可行方案中的一种，它们可能会导致今天我们所居住物质丰富的宇宙，另外两种情况分别涉及到新中微子物理或电弱尺度的新物理。然而在所有情况下，这都是早期宇宙的非平衡性质，它创造了一切在高能下允许的东西，然后冷却到不稳定的状态，这使得产生的物质多于反物质。

可以从一个完全对称的宇宙开始，在一个非常热的状态下，通过冷却和膨胀，最终得到一个物质控制的宇宙。宇宙不需要与生俱来的反物质（或者说反物质多于正物质的宇宙）大爆炸可以自发地从无到有。人类最早的寻找“制造”反物质：1995年欧洲核子研究中心的科学家在实验室中制造出了世界上第一批反物质——反氢原子。1996年美国的费米国立加速器实验室成功制造出7个反氢原子。

博科园-科学科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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