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宇宙最大難題：物質是怎樣從無到有？
2018-01-23 由 博科園 發表于科學
【博科園-科學科普-留言評論有驚喜哈】物質為構成宇宙間一切物體的實物和場，物理學上物質有六種存在形態：固態、液態、氣態、等離子態、玻色-愛因斯坦凝聚態、費米子凝聚態；物質不依賴於意識而又能為人的意識所反映的客觀實在，界是由物質構成的，物質通常是有結構的，但是物質結構在層次上是否具有基本單元，即德謨克利特式的「原子」是否存在？這是一個長期反覆爭論而又常新的課題。
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在宇宙的尺度上從我們室女座本超星系團星際介質到單個星系，星系團之間的細絲和巨大的宇宙網；所觀察到的一切都是由正常物質而不是反物質構成的，這是一個無法解釋的謎團。 圖片版權：NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
當你看着浩瀚宇宙中的行星、恆星、星系和宇宙中其他東西時，一個明顯的問題急需解釋：為什麼宇宙中會有東西而不是什麼都沒有？當你考慮到宇宙的物理定律時，這個問題變得更加棘手。宇宙似乎在物質和反物質之間是完全對稱的。然而當觀察宇宙中的情況時，所看到的所有恆星和星系都是100%的物質，反物質幾乎不存在。顯而易見，我們是真實存在的，和看到的星星和星系一樣；所以一定有什麼東西創造了比反物質更多的物質，使我們了解宇宙成為可能，但這是怎樣出現的呢？這是宇宙中最大的奧秘之一！
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當前宇宙中的物質和能量含量(左)和早期宇宙中的物質和能量含量(右)。暗能量、暗物質的存在和正常物質在反物質上的普遍存在。這是非常微小的，因為它在所顯示的時間內沒有貢獻。圖片版權：NASA, modified by Wikimedia Commons user，modified further by E. Siegel
想想兩個關於宇宙的事實又是多麼的矛盾：
1、我們所觀察到的粒子之間的每一次相互作用，在所有能量中從來沒有創造或摧毀一個物質粒子，也沒有創造或摧毀等量的反物質粒子。
2、當我們觀察宇宙時，所有的恆星、星系、氣體雲、星團、超星系團和最大規模的結構中，一切似乎都是由物質而不是反物質構成的。
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這似乎是不可能的。一方面沒有已知的方法賦予粒子和粒子在宇宙中的相互作用來製造比反物質更重要的物質。另一方面所看到的一切都是由物質而不是反物質構成的。
物質/反物質生產純粹的能量（左）與物質/反物質湮滅回到純能量（右）是一個完全可逆反應。這個創造和湮滅的過程遵循E = MC 2。這個公式是創造和毀滅物質或反物質的唯一已知方式。圖片版權：Dmitri Pogosyan / University of Alberta
無論何時何地反物質與物質相遇都會有一種奇妙的能量爆發，因為粒子與反粒子湮滅。實際上在某些地方能觀察到這種湮滅，僅僅只在超能量源附近產生等量的物質和反物質，就像在巨大的黑洞周圍一樣。當反物質在宇宙中運行時，它會產生特定頻率的伽馬射線就能探測到。星際間和星系間的介質中充滿了物質，而完全缺乏這些伽馬射線是表明沒有大量的反物質粒子在四處飛行的一個強烈的信號，因為物質/反物質的特徵會顯現出來。
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無論是在星系團、星系、還是太陽系或臨近恆星系，對宇宙中一小部分的反物質有着強大的限制，宇宙中的一切都是由物質支配的。圖片版權：Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122
在銀河系的星際介質中平均壽命大約是300年，這比銀河系的年齡要小得多，這個限制告訴我們在銀河系內觀測到與物質混合在一起的反物質數量最多是10萬億分之一，在更大的尺度上例如星系和星系團，限制條件不那麼嚴格，但仍然很強。在距離地球30億光年遠的地方觀測到了極少的x射線和伽瑪射線也就是所期待的物質與反物質的湮滅。即使在宇宙的大尺度上，宇宙中99.999% +的存在絕對是物質而不是反物質。
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反射星雲IC 2631由MPG/ESO 2.2-m望遠鏡成像。無論是在銀河系內還是在星系之間，都沒有證據表明反物質伽馬射線的存在。如果有重要的小塊區域、恆星或星系是由反物質構成的，那麼伽馬射線的特徵就必然存在。圖片版權：ESO
儘管不完全確定，但必須在宇宙的過去創造更多的物質，而不是反物質。讓人困惑的是物質和反物質之間的對稱性，就粒子物理學來舉例：
1、每創造一個夸克，也創造一個反夸克
2、每一次夸克被破壞，反夸克也被摧毀
3、每一次創造或毀滅一個輕子，也創造或毀了滅一個來自同一個輕子家族的反輕子。
每當一個夸克或輕子經歷一個相互作用、碰撞或衰變時，在反應結束時夸克和輕子的總凈數量（夸克減去反夸克，輕子減去反輕子）在最後是相同的，就和開始時一樣。在宇宙中製造更多物質的唯一方法，就是在等量的情況下製造出更多的反物質。
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標準模型的粒子和反粒子服從各種守恆定律，但有一定的粒子/反粒子的行為有細微的差別，這可能暗示了重子形成的起源。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy
這是可能的，唯一的問題是它是如何發生的？在20世紀60年代末物理學家Andrei Sakhar確認了重子生成的三個必要的條件，也是創造更多的重子（質子和中子）而不是反重子的三個條件：
1、宇宙必須是一個失去平衡的系統
2、它必須表現出C和cp的違反
3、必須有重子違反相互作用
第一是因為一個宇宙的膨脹，冷卻的宇宙中有不穩定的粒子（和/或反粒子)）；根據定義，宇宙是不平衡的。第二因為「CP」對稱（用反粒子代替粒子）和「CP」對稱（如鏡面反射的反粒子代替粒子）在弱相互作用中都被破壞了。
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一個正常的介子以逆時針方向旋轉，然後隨着電子向北極方向發射而衰變。CP對稱性代替粒子和反粒子，這意味應該在北級向發射正電子的反介子逆時針旋轉對北極點造成衰變。同樣CP對稱翻轉了如我們在鏡子裏看到的東西。如果粒子和反粒子在C、P或CP對稱下的行為不完全相同，那麼對稱性就會被破壞。到目前為止只有弱相互作用違反了三者中的一個。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy
這就留下了如何違反重子數的問題，在粒子物理的標準模型中儘管觀察到重子數的守恆，但並沒有一個明確的守恆定律，或者是輕子數（在這裏輕子是一個粒子，就像一個電子或一個中微子)。相反這只是重子和輕子的差異，B - L是守恆的。所以在適當的情況下不僅可以製造額外的質子，也可以製造出所需要的電子。然而這些情況仍然是個謎，在宇宙的早期階段很期待有期待等量的物質和反物質的存在，且速度和能量極高。
在非常年輕的宇宙中所達到的高溫下，不僅粒子和光子會自發地產生，給予足夠的能量，還會產生出反粒子和不穩定的粒子，從而形成一個原始的粒子和反粒子群體。圖片版權：Brookhaven National Laboratory
當宇宙膨脹和冷卻時，不穩定的粒子一旦大量產生就會衰變。如果有合適的條件，物質就會超過反物質（即使最初沒有）。關於物質超過反物質的問題有三種可能出現的情況：
1、在電弱尺度下的新物理可以極大地提高宇宙中C-P和CP的含量，從而導致物質與反物質的不對稱。Sphaleron的相互作用分別干擾了B和L(但保留B - L)可以產生合適數量的重子和輕子。這可能發生在沒有超對稱或超對稱的情況下取決於機制。
2、在高能新中微子物理中，早期可以形成一個基本的輕子不對稱——可紡性，保存B - L的sphalerons將利用輕子不對稱產生重子不對稱。
3、在重子生成的尺度上發現了新的物理（和新粒子）在大統一尺度的存在，電弱力與強力結合在一起。
這些場景都有一些共同的元素，讓我們來看看最後一個情況，看看會發生什麼？
除了宇宙中的其它粒子，如果大統一理論的概念也適用於我們的宇宙，會有額外的超重型玻色子，X和Y粒子，連同它們的反粒子產生。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy
如果大統一是正確的，那麼就應該有叫做X和Y的超重粒子。它們都有類似重子和類似輕子的性質，也應該有它們反物質的對應物——反x和反y，與B - L數相反，相反的電荷，但質量和壽命相同。這些粒子-反粒子可以在足夠高的能量下大量產生後慢慢衰變。所以宇宙中可以充滿它們然後衰變。然而如果違反C-P和CP對稱，那麼粒子和反粒子(X/Y vs，反X/反Y)的衰變之間可能存在細微的差別。
如果我們允許X和Y粒子衰變為夸克和輕子組合，那麼它們的反粒子會衰變為各自的反粒子組合。但是，如果CP被破壞了，X和Y粒子的衰變途徑——或者說粒子衰變的百分比——與反X和反Y粒子相比可能與X和Y粒子不同，這導致反重子，輕子和反輕子的過度凈產量。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy
如果X粒子有兩條路徑:衰變為兩個夸克或一個反夸克和一個正電子，那麼反x粒子必須有兩個對應的路徑:兩個反夸克或一個夸克和一個電子。注意，在這兩種情況下，X都是B - L的三分之二，而反X是負三分之二。Y/反Y的粒子很相似。但有一個重要的區別就是允許C -和cp破壞:相比於衰變為兩個反上夸克X可能更有可能衰變為兩個反夸克,相比於衰變成一個反下夸克和一個正電子反X可能更容易衰變成一個夸克和一個電子。
如果有足夠的X/反X和Y/反Y對，並且它們以這種方式衰減，可以很容易地(反輕子和輕子)超過反重子和重子是以前沒有的。
如果粒子按照上面描述的機制衰變，在所有不穩定的超重粒子衰變後剩下的夸克會超過反夸克（和輕子）。當多餘的粒子-反粒子湮滅(與虛線相匹配)，剩餘的夸克會組成質子和中子，分別向上和向下的組合，電子則與質子數相匹配。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy
換句話說就是可以從一個完全對稱的宇宙開始，這個宇宙遵循所有已知的物理定律，並只會在相等和相對中產生物質和反物質，最後在反物質上產生過量的物質。有多種成功的途徑，但大自然很可能只需要其中一個來給我們的宇宙。
宇宙萬物的存在和宇宙由是物質構成的事實是無可爭辯的。為什麼我們的宇宙包含了某種東西（物質）而不是什麼都沒有(從物質和反物質的等量混合)？這是一個有解的問題。在這個世紀精密的電弱測試、對撞機技術和實驗探測粒子物理超越標準模型的進展可能揭示它是如何發生的。當它發生的時所有存在中最大的謎團之一最終會被揭示的。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
作者：Ethan Siegel（天體物理學家）
內容：經「博科園」判定符合今主流科學
來自：Forbes science
編譯：公子世無雙
審校：博科園
解答：本文知識疑問可於評論區留言
傳播：博科園
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