電子和反電子質(zhì)量相同，但有相反的電荷，質(zhì)子與反質(zhì)子也是這樣，粒子與反粒子不僅電荷相反，其他一切可以相反的性質(zhì)也都相反。138.17億年前，在宇宙大爆炸的那一刻，宇宙是歷史上最熱的時刻。每一種已知的粒子都大量存在，而且它們的反粒子數(shù)相等，并都迅速地、反復(fù)地撞擊著周圍的一切。當粒子-反粒子對相遇時湮滅為純能量。

博科園-科學科普：此外，任何能在這些能量下存在的東西（新的場、新的粒子，甚至是暗物質(zhì)）也會在這些條件下自發(fā)地自我創(chuàng)造。但宇宙無法維持這樣的高溫，對稱的條件。很快，宇宙不僅會膨脹（早期為暴脹），而且會冷卻。在不到一秒的時間里，這些不穩(wěn)定粒子和反粒子消失了，這使得宇宙更偏愛物質(zhì)而非反物質(zhì)（也就是常說的正物質(zhì)最終戰(zhàn)勝了反物質(zhì)，從而創(chuàng)造了今天的宇宙萬物），下文就是為大家講述其發(fā)生的方式，你能堅持看完再做評論嗎？

在宇宙大爆炸的那一刻，宇宙充滿了所有可以被創(chuàng)造出來的東西，以達到最大總能量，只有兩個障礙存在：

1、必須有足夠的能量在碰撞中產(chǎn)生粒子或反粒子，正如愛因斯坦質(zhì)能方程E=MC^2所給出的

2、必須保存所有需要在每一次相互作用中保持守恒的量子數(shù)

就是這樣，在早期的宇宙中，能量和溫度是如此之高，以至于不僅可以制造所有標準模型的粒子和反粒子，還可以創(chuàng)造任何其他能量允許的東西。這可能包括大量的右旋中微子、夸克和輕子的組合，超對稱粒子，甚至是在大統(tǒng)一理論中存在的高能玻色子。

不確定這些粒子是否存在于我們的宇宙中，在理論上是可以的，但并不意味著它們在物理上必須存在。為了證明這一點，必須真正實現(xiàn)必要的能量來創(chuàng)造它們。這是一項艱巨的任務(wù)，因為在宇宙的早期階段所取得的能量大約是在歐洲核子研究中心大型強子對撞機粒子碰撞中所獲得最大能量的大約1萬億(10^12)倍。在人類歷史上創(chuàng)造的最強大能量，與早期宇宙相比就相形見絀了。

當宇宙膨脹的時候不僅變得不那么稠密，而且逐漸冷卻了。決定任何量子輻射能量的一個因素是波長：短波意味著更高的能量，而長波長則意味著更低的能量。當宇宙處于最熱和密度最大的時候，波長是最短的。但是隨著空間結(jié)構(gòu)的膨脹，其中的輻射波長會變長。

這意味著在非常短的時間內(nèi)，膨脹的宇宙會急劇降溫。隨著能量的降低，創(chuàng)造一個給定質(zhì)量的粒子變得越來越困難。E=mc^2是雙向的：粒子-反粒子對可以湮滅在輻射中，但碰撞也會自發(fā)產(chǎn)生粒子-反粒子對。如果在標準模型中有新的粒子(和/或反粒子)，是在超高能量下產(chǎn)生的，但是當宇宙低于一定的閾值溫度時，就會停止產(chǎn)生。

從那時起剩下的粒子和/或反粒子會怎么樣？有三種可能性：

1、它們會湮滅，就像粒子-反粒子對一樣，直到密度足夠低，以至于它們再也找不到彼此碰撞

2、它們像所有不穩(wěn)定的粒子一樣，衰變?yōu)槿魏慰梢员晃锢矶伤试S的衰變產(chǎn)物

3、它們碰巧是穩(wěn)定的，并且一直保持到今天，在那里它們影響著宇宙并且可以被探測到

第一種可能發(fā)生在所有能想到的事情上，但總是留下一些殘留的粒子。如果剩余的物質(zhì)是穩(wěn)定的，那么它就是一個極好的暗物質(zhì)候選者。右旋中微子和最輕的超對稱粒子在這種情況下成為極佳暗物質(zhì)候選者：

1、粒子比較大

2、被大量地創(chuàng)造出來

3、然后有些消失了

4、剩下的留到今天

5、它們不再與當今宇宙中的任何粒子發(fā)生實質(zhì)性的相互作用

這是暗物質(zhì)的完美“配方”，但如果剩余的物質(zhì)不穩(wěn)定，比如假設(shè)的超重玻色子粒子在大統(tǒng)一情況下出現(xiàn)，就會創(chuàng)造出一個擁有更多物質(zhì)而非反物質(zhì)的宇宙。

我們來舉例說明：在標準模型中有兩種類型的費米子：夸克，構(gòu)成原子核，和輕子，電子或中微子?？淇税粋€量子數(shù)，稱為重子數(shù)。一個重子(比如質(zhì)子或中子)需要三個夸克，所以每個夸克的重子數(shù)都是+1/3。每個輕子都是它自己的“實體”，所以每個電子或中微子都有+1的輕子數(shù)。

反夸克和反輕子對輕子和重子數(shù)有相應(yīng)的負值。如果大的統(tǒng)一是正確的，那么就應(yīng)該有新的超重粒子，我們稱之為X和Y，也應(yīng)該有它們的反物質(zhì)對應(yīng)物：反X和反Y。然而這些新的X、Y、反X和反Y粒子只有一個組合的B-L數(shù)，或者重子數(shù)減去輕數(shù)，而不是重子或輕子數(shù)。

在高能量下，大量的新粒子和反粒子被創(chuàng)造出來。然而一旦宇宙膨脹和冷卻，它們要么湮滅，要么衰變，而不會產(chǎn)生新的能量。物理學中有一個強大的定理，它決定了這些粒子是如何衰變的。任何X或Y粒子表現(xiàn)出來的衰變，反X或反Y粒子都需要有相應(yīng)的反粒子衰變路徑，這種對稱性必須存在。但不需要對稱的是衰變分支比，即粒子或反粒子的衰變路徑。我們已經(jīng)看到這些比率在標準模型中是不同的，如果它們在這些假設(shè)的新粒子中是不同的，就可以自然而然地得到一個更喜歡物質(zhì)而不是反物質(zhì)的宇宙。

假設(shè)X粒子有兩條路徑：衰變?yōu)閮蓚€上夸克或一個下夸克和一個正電子。反X必須有相應(yīng)的路徑：兩個反上夸克或一個下夸克和一個電子。在這兩種情況下，X都有B - L(+2/3)，而反X有-2/3。對于Y/反Y粒子情況類似。但這就是如何創(chuàng)造一個物質(zhì)多于反物質(zhì)的宇宙：X更可能衰變?yōu)閮蓚€上夸克，而反X更可能衰變?yōu)閮蓚€上夸克，而反X更可能衰變?yōu)橐粋€下夸克和一個電子，而不是X衰變?yōu)橐粋€下夸克和正電子。如果有足夠的X/反X和Y/反Y對，它們會以這種方式衰變，那么將會在反重子(以及在反輕子/輕子)上得到一個多余的重子。

這只是已知三種可行方案中的一種，它們可能會導致今天我們所居住物質(zhì)豐富的宇宙，另外兩種情況分別涉及到新中微子物理或電弱尺度的新物理。然而在所有情況下，這都是早期宇宙的非平衡性質(zhì)，它創(chuàng)造了一切在高能下允許的東西，然后冷卻到不穩(wěn)定的狀態(tài)，這使得產(chǎn)生的物質(zhì)多于反物質(zhì)。

可以從一個完全對稱的宇宙開始，在一個非常熱的狀態(tài)下，通過冷卻和膨脹，最終得到一個物質(zhì)控制的宇宙。宇宙不需要與生俱來的反物質(zhì)（或者說反物質(zhì)多于正物質(zhì)的宇宙）大爆炸可以自發(fā)地從無到有。人類最早的尋找“制造”反物質(zhì)：1995年歐洲核子研究中心的科學家在實驗室中制造出了世界上第一批反物質(zhì)——反氫原子。1996年美國的費米國立加速器實驗室成功制造出7個反氫原子。

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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