缘何大家都是由物质结合,兴妖作怪

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根据宇宙大爆炸的原理,宇宙的初始为致密炙热的物质奇点。那么这些物质的前世今生为何物?创造出世间万物的宇宙又从何而来?又是什么时间节点得以创造出来的呢?让我们一起回到那个很久很久以前,宇宙初始的阶段~

我们先来看两个看起来相互矛盾的事实:

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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。

在初始阶段,宇宙中不存在任何物质。只有能量表现形式为光的离散光子。当光子具有足够的能量,就会自发地衰变为粒子和反粒子(反粒子基本性质与粒子相同,只是电级相反)。而在当下,由于伽马射线有足够的能量释放出可测量的正负电子对,使得这些粒子可以成功检测和观察到。事实上,光子是属于粒子中玻色子的一员,而衰变也是顺其进行的。许多玻色子在大爆炸之后能量爆棚,既而后会衰变为质量更大的粒子,比如质子。(E=mc2根据公式,如果粒子的质量较大,那么玻色子的能量就越大)

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图解:描述宇宙膨胀的艺术构想图,其中横坐标表示宇宙演化的时间,而对应的空间尺寸(包括想象中的不可观测部分)都用相应的圆横截面表示。左端表示在暴胀时期发生的急速膨胀,而当宇宙演化到中期时开始加速膨胀。而微波背景辐射的形成、恒星形成、星系形成以及WMAP的出现都在相应的时间上表示出来。
图片来自2006年的WMAP新闻发布会。

在星系中的恒星、星系、气体和尘埃都是由物质构成的。(© Hubblesite)

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接着,我们看第二个事实:

而宇宙中的质量就来自于这种衰变。

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。

下一个问题来了:那些反物质都去哪儿了?对于那些衰变产生的粒子来说,它们对应的只有一个反粒子。同理,有多少物质就应该对应着有多少反物质。如果事实真的如此,当宇宙稍稍冷却时,每一个例子和其对应的反粒子结合之后会形成玻色子,这个过程叫做粒子湮灭。实际上,这些粒子对的命运基本上是注定的:每100亿对粒子湮灭,仅有一对能存活。尽管这个比例小的惊人,但却足够形成宇宙中的所有物质。在这个过程当中,一定发生了什么才会最终导致粒子存活的数量超过了反粒子存活数量,
这一现象被称为粒子-反粒子不对称。

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(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)

有很多理论可以解释这种不对称性,其中之一叫做电弱重子数产生机制(高能预警,需要强大的背景知识来理解这个概念,本段就大致介绍一下)。质子和中子都为重子,而baryogenesis为重子生成即重子产生过程,根据当代粒子物理学和标准模型的定义,重子的数量几乎是恒定的,因为量子隧穿效应,仅有一小部分重子是变化的。在宇宙早期阶段,由于温度很高,所以隧穿现象很普遍,也因故产生了大量的重子。电弱则指的是电磁力和弱力从一个力解耦为两个不同的力(很可能是在大爆炸后10^-12秒到10^-6秒之间——这种不对称现象可能在大爆炸接近尾声时才形成)。重子的另一个来源是由于轻子(另一种粒子,包括电子)可以在这一时期转化为重子。

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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》。)

相关知识

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。

宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体;它包含了行星、恒星、星系、星系际空间、次原子粒子以及所有的物质与能量,宇指空间,宙指时间。目前人类可观测到的宇宙,其距离大约为93
× 10^9光年(28.5 ×
10^9秒差距),最大为27,160百万秒差距;而整个宇宙的大小可能为无限大,但未有定论。物理理论的发展与对宇宙的观察,引领着人类进行宇宙构成与演化的推论。

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。

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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.

根据历史记载,人类曾经提出宇宙学、天体演化学与科学模型,解释人们对于宇宙的观察。最早的理论为地心说,由古希腊哲学家与印度哲学家所提出。数世纪以来,逐渐精确的天文观察,引领尼古拉斯•哥白尼提出以太阳系为主的日心说,以及经约翰内斯•开普勒改良的椭圆轨道模型;最终艾萨克•牛顿的重力定律解释了前述的理论。

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。

参考资料

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.WJ百科全书

偏离热平衡。

2.天文学名词

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.Sara Slater-curious

存在破坏重子数守恒的相互作用。

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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)

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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。

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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)

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