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我們先來看兩個看起來相互矛盾的事實(shí)： 當(dāng)我們觀測宇宙時,，我們看到行星和恒星,，星系和星系團(tuán)，散布在星際間的氣體和塵埃等等,。我們會發(fā)現(xiàn)到處都有著同樣的特點(diǎn),。我們會看到原子的吸收和發(fā)射線，物質(zhì)和其它物質(zhì)之間的相互作用,，恒星的誕生和死亡,，碰撞等等。 在星系中的恒星、星系,、氣體和塵埃都是由物質(zhì)構(gòu)成的,。（? Hubblesite） 接著，我們看第二個事實(shí)： 我們觀測過的所有粒子之間的相互作用,，無論是在什么能量等級,，當(dāng)一個粒子被制造或摧毀的時候，總是會伴隨著一個反粒子被制造或摧毀,。物質(zhì)和反物質(zhì)之間嚴(yán)格遵守著物理對稱,。例如，每當(dāng)一個夸克（或輕子）被制造（或摧毀）的時候,，也會有一個反夸克（或反輕子）被制造（或摧毀）,。也就是說，在宇宙大爆炸后,，粒子和反粒子應(yīng)該等量地產(chǎn)生,。 （a）成對產(chǎn)生：光子相遇時會產(chǎn)生一個粒子和一個反粒子,；（b）湮滅：當(dāng)一個粒子和反粒子相遇會通過光子的形式釋放能量。（? Dmitri Pogosyan） 我們知道,，當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇的時候,，比如質(zhì)子和反質(zhì)子相遇，會導(dǎo)致兩者湮滅,，而釋放出高能光子,。但是，我們沒有觀測到在大尺度下物質(zhì)和反物質(zhì)之間發(fā)生的湮滅,。我們沒有看到任何證據(jù)表明行星,、恒星或星系是由反物質(zhì)構(gòu)成的。所有的證據(jù)都表明,，宇宙中的萬物都是由物質(zhì)構(gòu)成的,，而不是反物質(zhì)。 所以,，一方面我們從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看到,，當(dāng)我們制造或摧毀物質(zhì)時，肯定會有等量的反物質(zhì)被制造或摧毀,。另一方面,，我們知道你、我和宇宙間的所有物體都是由物質(zhì)組成的,。 如果在物質(zhì)和反物質(zhì)之間的物理定律完全對稱,，那為什么今天看到的宇宙都是由物質(zhì)構(gòu)成的？這個問題被稱為重子數(shù)產(chǎn)生（Baryonesis）,，是基本物理學(xué)中最大的未解之謎之一,。當(dāng)然，如果不是這樣的話,，我們也不會存在,，更不會提出這樣的疑問。 【注：重子是指由三個夸克或反夸克組成的復(fù)合粒子,，比如構(gòu)成生活中一切物質(zhì)的質(zhì)子和中子,。重子數(shù)則是粒子物理學(xué)中定義的一個量子數(shù),，用字母B表示。重子的重子數(shù)為+1,，反重子的重子數(shù)為-1,，其它粒子如輕子和介子的重子數(shù)為0.】 面對這個問題，我們現(xiàn)在有兩個選項(xiàng)：要么是宇宙誕生的時候物質(zhì)就比反物質(zhì)更多,；要么就是在熾熱和致密的宇宙早期發(fā)生了什么,，從而導(dǎo)致物質(zhì)和反物質(zhì)（一開始都沒有）之間的不對稱。雖然我們不能排除前者的可能性,，但是我們無法驗(yàn)證它,，除非我們能夠重演宇宙大爆炸。但如果后者是正確的,，我們就可以想辦法找出答案,。 1968年，科學(xué)家邁出了重要的一步,，蘇聯(lián)物理學(xué)家Andrei Sakharov意識到,，如果宇宙滿足三個條件，那么物質(zhì)/反物質(zhì)不對稱就是不可避免的,。這三個條件分別是：
宇宙不斷地在膨脹和冷卻,。（? E.Siegel） 第一個很容易達(dá)到,。如果宇宙是廣袤，膨脹和冷卻的,，并且由廣義相對論和量子場論支配,，那么就已經(jīng)創(chuàng)造了一個熱平衡偏離的狀態(tài)！記住,，平衡是指在一個系統(tǒng)里所有的粒子之間都有機(jī)會相互交流,，或者說交換信息。但是,，在一個膨脹,，冷卻的宇宙中，在宇宙的一邊和另一邊的粒子之間是沒有因果接觸的,；事實(shí)上,，在早期的宇宙中就有許多區(qū)域之間都是因果不接觸的，甚至連光也沒有足夠的時間從一個區(qū)域傳播到另一個區(qū)域。 我們再來看第二個條件,。C對稱關(guān)心的是如果電荷對換了會發(fā)生什么,。我們知道粒子和它的反粒子有完全相同的質(zhì)量，但電荷卻相反,。通過一個電荷共軛的操作,，相當(dāng)于在一個物理過程中把所有的粒子用相應(yīng)的反粒子替代。我們可以想象一個由反物質(zhì)構(gòu)成的反世界,。根據(jù)電荷共軛對稱推斷，我們的世界和反世界的物理定律應(yīng)該完全一樣,。但如果C對稱被違反了,，粒子和反粒子之間的行為就會相反！觀測表明,，在弱相互作用（包括放射性衰變）,，C對稱是可以被破壞的。 弱相互作用破壞電荷共軛不變性：所有的中微子都是左手的，沒有右手中微子的存在,。所有的反中微子都是右手的,，沒有左手的反中微子存在。（? E. Siegel） P對稱是指鏡像對稱,，也被稱為宇稱不變性,。當(dāng)你照鏡子的時候，鏡中的你跟現(xiàn)實(shí)中的你正好左右相反,。如果你舉起右手,，鏡像中的你就會舉起左手。現(xiàn)在想象有一個鏡像宇宙,，在這個宇宙中所有的東西都是相反的,。在這個宇宙的我們都是左邊駕駛的，太陽會打西邊升起,，從東邊日落等等,。但基本上沒有任何其它東西會改變，事實(shí)上我們只要把左邊和右邊的概念對換一下就會跟我們身處的這個宇宙沒有任何區(qū)別,。在大多數(shù)情況下,，自然并不區(qū)別左和右，宇稱是守恒的,。這樣的情況維持到了1956年,，直到楊振寧和李政道提出了在弱相互作用中宇稱不守恒。 一個逆時針轉(zhuǎn)的介子（左上）衰變并往北射出電子,。在P變換下（右上），介子順時針?biāo)プ儾⑼鄙涑鲭娮?；在C變換下（左下）,，逆時針轉(zhuǎn)的反介子衰變并往北射出電子；在CP聯(lián)合變化下（右下）,，該粒子變成順時針的反介子衰變,，并往北射出電子。（? E. Siegel） 宇稱和電荷共軛都被破壞了,，那么有沒有這樣一種可能性：如果我們能夠建造一個魔鏡,，它不僅能反射左和右，還能把粒子變成反粒子,，那么自然有沒有可能在宇稱（P）和電荷共軛（C）的聯(lián)合操作下不變,。好景不長，在1964年的時候科學(xué)家也找到了CP對稱被破壞的證據(jù),。 在自然界中,，我們觀測到了粒子，比如重夸克衰變的時候違反CP守恒,。但是我們從來沒觀測到Sakharov提出的第三種條件：存在破壞重子數(shù)的相互作用,。盡管，更嚴(yán)格的說是,，標(biāo)準(zhǔn)模型只規(guī)定 B - L 守恒,，或重子數(shù)（B）減去輕子數(shù)（L）。根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型,，我們知道它可以——不,，是必須——存在破壞重子數(shù)守恒的相互作用。 下面我要給你們看的是支配粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的場方程： 格拉肖-溫伯格-薩拉姆的弱電統(tǒng)一模型中的拉格朗日量。（? Max Planck Institute for Nuclear Physics Heidelberg） 不要太在意細(xì)節(jié),，重要的是這個方程告訴我們重子數(shù)守恒是可以被破壞的,。事實(shí)上，它明確地允許重子（比如質(zhì)子）數(shù)和輕子（比如電子）數(shù)必須同時一起被破壞,，這就意味著宇宙必須有同樣數(shù)量的重子和輕子?。ㄟ@幾乎解釋了為什么有相同數(shù)量的質(zhì)子和電子，因此即使宇宙擁有帶電的質(zhì)子和電子,，但依然是電中性的,。） 當(dāng)然,，問題是我們要知道這三個條件的量。我們是否有足夠的重子數(shù)破壞,？ 在不同標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展中的電子偶極矩,。（? Gabrielse group and D. DeMille） 就我們目前所知,，答案似乎是不夠?；蛟S在高能量的情況下,，標(biāo)準(zhǔn)模型中存在更多破壞CP對稱的相互作用，只是我們還沒有發(fā)現(xiàn)而已,。但物理學(xué)家更偏向于認(rèn)為答案隱藏在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論中,。在許多標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展理論中，比如新的弱電物理,、高能輕子物理、超對稱或大統(tǒng)一理論,，都預(yù)言了大量重子數(shù)破壞的可能,。 宇宙的不同時期,，包括下文會提到的最早期的普朗克時期，以及之后的大統(tǒng)一時期和電弱時期,。（? ESA） 這些理論或許能夠幫助我們回答重子數(shù)產(chǎn)生的問題： 1. 輕子數(shù)不對稱產(chǎn)生機(jī)制（Leptogenesis）：該假設(shè)認(rèn)為在宇宙早期熾熱的環(huán)境中充滿了中微子的堂兄（較重）,。它們更傾向于衰變成反輕子，而不是輕子（輕子包括電子,、中微子等）,。通過高溫量子隧穿事件，即sphaleron過程,，多余的反輕子會轉(zhuǎn)換成我們今天看到的過量的重子,。許多實(shí)驗(yàn)正在尋找這些罕見的衰變，希望能告訴我們重的中微子是否存在,。 通過Sphaleron過程產(chǎn)生重子,。（? arXiv:1206.2942） 2. 電弱重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制（Electroweak baryogenesis, EWBG）：這是解釋宇宙中重子不對稱最具有吸引力和前景的理論之一,。從名字就可以猜出，EWBG是指任何在宇宙早期電弱相變時期產(chǎn)生的重子密度不對稱的機(jī)制,，但只有在EWSB是一級相變的情況,，類似水分蒸發(fā)。在空間中，布滿了一個場的能量泡,，這個場就是希格斯場,。在能量泡外的空間的反輕子會通過sphaleron過程轉(zhuǎn)化成重子。而在泡里面的空間就不會,。從希格斯的質(zhì)量我們知道,，EWSB的溫度過低不足以產(chǎn)生一級相變。但是,，如果在高能下我們能夠找到類似希格斯的粒子,，這個理論就是可行的。 3. Affleck-Dine機(jī)制：超對稱理論假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個基本粒子都有一種被稱為超對稱伙伴的粒子與之匹配,。如果這個理論正確,，那么在宇宙暴脹期間，已知粒子的超對稱伙伴會進(jìn)行CP破壞衰變,，從而產(chǎn)生過量的重子,。但到目前為止，大型強(qiáng)子對撞機(jī)都沒有找到任何超對稱粒子,。 4. 普朗克/大統(tǒng)一重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制（Planck/GUT-scale baryogenesis）：重子數(shù)產(chǎn)生或許發(fā)生在接近時間的開端,，在觸不可及的高能下，即大統(tǒng)一尺度或普朗克尺度,。在那個尺度下,，標(biāo)準(zhǔn)模型不再適用。對質(zhì)子衰變的測量或許有一天能夠幫助我們理解大統(tǒng)一尺度的物理定律,，但如果重子數(shù)產(chǎn)生發(fā)生在普朗克尺度,，我們或許永遠(yuǎn)無法用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證其背后的機(jī)制。 Sakharov提出的三個條件肯定存在于我們的宇宙之中,，我們需要回答的唯一問題是“要怎么得到今天所觀測到的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的量,？” 雖然我們還沒有得到完整的答案，但我相信在不久的將來,，這是眾多關(guān)于“從何而來”的問題里可以被解決的一個,。 參考文獻(xiàn)： 【1】G. Steigman (2007). 'Primordial Nucleosynthesis in the Precision Cosmology Era'. Annual Review of Nuclear and Particle Science. 57: 463–491. 【2】https:///abs/1206.2942 【3】Affleck, I.; Dine, M. (1985). 'A new mechanism for baryogenesis'. Nuclear Physics B, Particle Physics. B249 (2): 361–380. 【4】https:///abs/hep-ph/9606260 |
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