為什麼我們這個世界有物質而不是什麼都沒有?

2020-12-05 李論科學

在我們現在生活的宇宙中,有無數的恆星,星系,星系群,就單說我們地球上的生命和物質形式也充滿了多樣性,還有你眼前現在能看到的所有東西!看到這些我們都會問自己一個問題:這些物質都是從哪裡來的?

我們今天看到的宇宙是什麼樣的?

現在我們再回到宇宙,當我們觀察宇宙時,天空中的每一個光點,無論是行星、恆星、星系、星系團還是其他更大的天體,它們的出現和演化都包含了整個宇宙的歷史。在更大的尺度上,宇宙中有一個由星系組成的巨大絲狀結構,每個像素代表了一個星系的位置。

我們知道宇宙中充滿了暗物質和暗能量,當我們考慮整個宇宙結構時,上圖就是我們今天所看到的樣子。假如拋棄暗物質和暗能量,讓我們修改自己的引力理論,也無法重現宇宙今天的結構。模擬和觀測之間的匹配,巨大的星系團、細絲和空洞的宇宙網充滿了整個現代宇宙。這些結構是怎樣來的?

宇宙演化了數十億年的時間、不可抗拒的引力作用,以及不斷膨脹的宇宙中物質結構失控的增長,才使宇宙出現了我們現在看到的樣子。

宇宙中的普通物質(質子、中子和電子)產生了我們用望遠鏡捕捉到的可見光。我們所看到的恆星和星系都是由普通物質構成的。然而,普通物質的存在本身就是一個謎。因為物理定律不允許我們在不創造或毀滅等量反物質的情況下創造或毀滅物質!也就是說,物質和反物質總是共生、共滅的!

反物質和物質等量的共生、共滅在實驗和觀測上是正確的。但是事實並非如此。因為我們的宇宙好像更加偏愛物質,物質最初也比反物質多出了那麼一點,如果反物質的數量與我們現在在宇宙中所擁有的物質數量相等,那麼宇宙中的物質將會變得異常稀少,以至於每立方千米只有一個亞原子粒子。密度將不到今天宇宙密度的十億分之一。

我們能否在理論假設的基礎下創造出更多的物質

讓我們回到宇宙的早期階段,那時的宇宙充滿了熾熱、稠密的等離子體,並且包含了等量的物質和反物質,看一下在物理定律下我們能否創造出今天看到的宇宙。

在宇宙早期熾熱、稠密、完全電離的等離子體的背景下,等量的粒子和反粒子來回運動,相互碰撞、湮滅,而其他粒子,如光子則會相互作用,產生等量的物質和反物質。

如果宇宙的大小和溫度一直是恆定的,那麼其中的所有粒子和反粒子數量也是穩定的,那麼就不可能產生比反物質更多的物質,也不會產生比物質更多的反物質。但是在我們的宇宙中,真實情況並不是這樣的。

宇宙一直在膨脹和冷卻,這意味著,當溫度降到某個值以下時,宇宙創造正反物質的速度明顯會低於其湮滅的速度!為什麼?因為E = mc^2,宇宙的能量已經不足以創造正反物質粒子!而已經存在的正反粒子會繼續湮滅。

但是隨著宇宙的膨脹,正反物質的湮滅速度也在下降,正反物質粒子找到彼此變得越來越困難。因為宇宙在膨脹,密度在下降,當達了一個點時(一定的密度),正反物質再也找不到彼此,湮滅就會停止!剩下的殘餘物質將會被「凍結」。我們稱其為宇宙失去熱平衡狀態!

剩下被「凍結」的正反物質將使宇宙脫離正反物質平衡。舉個例子,在某個時刻,我們會得到一個包含大量介子和反介子的宇宙。跟大多數粒子一樣,這些粒子並不穩定,而且會衰變。對於大多數粒子/反粒子來說,比如介子/反介子,正介子衰變為反粒子,反介子衰變為正粒子,那麼整個宇宙的正反物質還是平衡的。

但是可能存在有些粒子(目前我們還沒有發現)與自己的反粒子有著本質上的不同,而這種差異會在宇宙中產生比反物質更多的物質!

讓我們假設宇宙中充滿了一種新的不穩定粒子,帶正電荷的Q+,和它的反粒子帶負電荷的Q-。由於某些守恆定律,它們必須有相同的質量,相反的電荷,以及相同的總壽命。

假設Q+可以衰變為質子和中微子,也可以衰變為反中子和正電子。這意味著必須允許Q-衰變為反質子和反中微子,或中子和電子。

關於這種衰變有三件重要的事情:

允許違反重子數的守恆。(即質子數+中子數之和。)這種衰變在標準模型中是允許的,只要重子數減去輕子數是守恆的如果計算正確的話,可以產生比反物質更多的物質。除了失去熱平衡,我們還需要這些粒子具有另外一種性質。

如果Q+變成質子和中微子的百分比和Q-變成反質子和反中微子的百分比是一樣的,這樣也不行,它們的衰變物還是會湮滅。質子和反質子的數量是相等的,宇宙就不會產生比反物質更多的物質。

反中子/正電子和中子/電子也一樣。另一種可能性是Q+粒子會傾向於一種類型的衰變,而Q-粒子會傾向於另一種類型的衰變!

如果發生這種情況,那麼Q+會比Q-產生更多的質子和中微子,而Q-會比Q+產生更多的中子和電子,而Q+會產生更多的反質子和反中微子。

如果我們只看衰變產生的質子/中子/反質子/反中子,我們會得到什麼?一個物質比反物質多的宇宙!

總結:要讓物質多於反物質,宇宙必須滿足哪些條件

事實上,只要宇宙符合下面三個著名的標準:

失去熱平衡條件,存在違反重子數的相互作用存在C 對稱破缺和CP對稱破缺(衰減的差異)就會產生我們現在看到的充滿物質的宇宙。目前我們還沒有在實驗中發現違反重子數守恆的粒子,而且也缺少強CP破壞的粒子來滿足以上的假設!因此我們認為宇宙中還存在一些我們沒有發現的粒子,因為以我們現在的標準模型是無法解釋物質比反物質多這個世紀難題!而以上的假設就是宇宙中為什麼有物質存在而不是空無一物的原因。

相關焦點

  • 為什麼反物質沒有消滅我們的世界,中子究竟有什麼神奇的力量?
    經過蘇塞克斯大學和其他地方的研究人員20多年的努力,一項旨在解決過去50年宇宙學中最深刻問題之一的實驗終於有了一個結果:即為什麼宇宙包含的物質比反物質多得多的問題。事實上,為什麼反物質不能消除所有的物質?
  • 物質為什麼要佔據空間?量子力學中我們有沒有穿牆,遁地的可能?
    我們平時生活中所知道的、所看到的一切物體都有體積,也理所當然的要佔據空間,這一點確實不容易讓我們察覺,而且兩個物體還不能同時佔據同一空間!甚至空氣也必須佔據空間,換句話說:有空氣的「地方」沒你,有你的「地方」沒空氣!
  • 我們都是物質並生活在物質世界中,但知道物質本質屬性是什麼嗎?
    要弄清楚物質的本質屬性,首先要弄清什麼是物質。在哲學範疇,物質是與意識相對應的一個存在。表述為物質是不依賴於意識,又能夠為人的意識所反映的客觀實在。何為客觀實在?就是你承認不承認,它都在那裡。在哪裡?就在我們身邊,包括我們自己。
  • 這個星系,沒有暗物質
    2018年3月9日,天文學家們宣稱發現一個奇特的星系,這個星系沒有暗物質!也許你會說,發現沒有暗物質的星系有什麼值得大驚小怪的?這可是大事件,這事如果最終確定,堪比發現「」引力波「」和「」上帝粒子「」還要刺激。這是一個物理學家們做夢都沒想到的意外發現。因為暗物質用「不存在」證明了自己的存在!
  • 到底什麼是反物質?我們該如何研究反物質?為什麼它沒有毀掉我們
    按照這個思路,我們不禁想問:那樣的話,正常物質和反物質難道不是應該正好抵消嗎?然後只剩下一個宇宙,充滿正反物質毀滅後所產生的能量的尾流。什麼是反物質?物質是由原子組成的。正如我們從原子圖上看到的那樣,原子由一個原子核以及一些圍著原子核旋轉的電子構成,而原子核裡又有更小的粒子——質子和中子。不管是氫、碳、氧還是別的物質,原子的種類由原子核裡質子的數目決定。
  • 為什麼哲學上認為「物質不滅」是不對的?
    我們周圍的事物,除了思維領域的意識和精神和連接的邏輯語言等外,沒有什麼不是物質構成的。事實上,現代哲學的締造者,法國的笛卡爾,就是將世界分為這兩大部分(排除上帝),因而落下了「二元論「的名字。在我們的這個世界中,從文化上看,東西方又將世界物質的變化分為二個大範圍。
  • 世界是由什麼物質構成的?
    我們的肉眼看到的這個物質世界是由什麼構成的呢?首先我們知道這個肉眼看到的最大和最小物體的範圍:大看到星球小看到分子細胞,這是一般的普通人或常人看到的物質或物體形狀。那麼,再高一點層次上,也就是說如來這個層次上的佛道神人,看見這個世界的同時,也都發現了兩種物質。
  • 反物質和暗物質和我們常見的物質有什麼不同?
    我們在平時經常會聽到反物質,暗物質,暗能量等詞彙,這些其實都是物理學中的概念。那它們之間有什麼區別,又和我們這個世界的一般物質有什麼關係呢? 今天,我們就來說說這個問題。
  • 沒有這個前提條件,相對論就什麼都不是!
    相對論要成立其實有一個前提條件,沒有這個前提條件,相對論就什麼都不是!這個前提條件就是特別有名的「光速不變」,就是說光速在任何地方都不變,不管觀測者是在運動的還是靜止的。就是說我站在這兒看,光以30萬公裡每秒在跑。
  • 為什麼我們看不到反物質?粲夸克的不對稱性
    該學院傑出教授謝爾頓·斯通(Sheldon Stone)表示,這些研究結果都是首次發現。不過,此前已經有研究在含有奇夸克(strange quark)或底夸克(bottom quark,又稱美夸克)的基本粒子中觀察到物質—反物質的不對稱性。
  • 什麼是事物?我們的世界,都來自什麼地方?
    有時最簡單的問題是最難回答的,什麼是「事物」?為什麼「事物」會發生?又為什麼「事物」會如他們應該的樣子發生?讓我們嘗試一步一步地去了解它們是由什麼組成的。你是物質,物質又由分子組成,分子又由原子組成,而它們都是由基本粒子組成。
  • 這個世界上到底有沒有鬼?
    這個世界上到底有沒有鬼?堅持唯心主義的人認為,雖無人親眼目睹,但鬼魂真的存在我們的世界;而堅持唯物主義科學家們則信奉能量守恆定律,認為不管是什麼東西,不會憑空產生,也不會無故消失,只要存在過,就一定會消耗相應的物質能量
  • 暗物質是什麼?究竟有沒有暗物質?
    暗物質是什麼?究竟有沒有暗物質?不知道有沒有小夥伴看過《地質災難》這部電影,暗物質自天外之內,頃刻間穿過地球!造成的一系列毀滅性災難,而且明顯還是弱化了暗物質的實力。那麼暗物質到底是什麼?究竟有沒有暗物質?
  • 構成我們的物質到底是什麼
    但大自然並不是用這種方式組成所有的物質,當然現在的我們也都知道,這並不是最基本的物質組成。 分子是由原子組成,每個原子都包含非常小的原子核,和圍繞著原子核旋轉的電子。微觀粒子 這就是至今為止,我們知道的基礎物質,沒有發現任何比電子小的粒子,也沒有發現任何比夸克小的粒子。
  • 反物質的發現、製造和保存,我們為什麼要研究反物質?
    我們的世界是由物質所構成的,但是在宇宙之中不僅有物質,還有反物質。反物質這個名詞對於很多人來說具有濃重的科幻色彩,但這的確不是一個想像中的事物,而是真實存在的,早在1932年的時候,人類就已經確實現了反物質的存在。
  • 構成宇宙的基本物質是什麼?為什麼至今還沒有人能回答這個問題?
    至於為什麼會留下一個正物質粒子,目前也沒搞清楚。不過,如今構成世界的這些粒子,都是當時的倖存者。 因此,我們從這個角度來看,似乎構成宇宙的基本物質就是這些基本粒子。那都有哪些基本粒子呢?
  • 反物質的世界和正常世界有什麼不一樣的地方呢?
    在牆的中間有兩顆釘子。當你用錘子敲其中一個,試圖把它全部釘在牆上時,它就會彈出來;當你用鑷子拔出另一個時,它會鑽到牆上。這是奇怪的嗎?但如果你進入神秘的反物質世界,這並不奇怪。反物質來源於著名科學家愛因斯坦提出的物質總能量公式,即物質總能量有正負兩個值。科學界認為,也許我們只知道宇宙的一半——積極的物質世界;雖然公式中的負值適用於宇宙的另一半,但它是反物質世界。這種反物質是由具有相反電荷性質和自旋方向的粒子組成的。你把它往東推,它就往西走,這與我們熟悉的物質世界背道而馳。
  • 太陽系大部分行星都有天然衛星,水星金星:我們兩個為什麼沒有
    地球:有一顆衛星,就是美麗的月亮。旁邊的火星不服氣我2個呢!天王星:弟弟們不好意思,我有27個。木星:都讓讓,我63顆的都沒說話。水星和金星:嗚嗚,為什麼我們兩個沒有。對呀,太陽系大分部的行星都有自己的衛星,為什麼水星和金星沒有呢?
  • 這個世界到底有沒有造物主?
    他是一名無神論者,不相信宇宙中的一切是神創造的,因此更不相信有什麼造物主,直到有一次,他被牛頓的一番話驚醒了。牛頓造了一個太陽系的模型,中央是一個鍍金的太陽,四周對應著按次序排列的各大行星。只要一拉曲柄,每一顆行星就會按照自己的軌道和諧轉動,非常美妙。
  • 連暗物質都沒有的宇宙空洞裡真的有物質存在嗎?
    他們宣稱,宇宙中有一個洞——這個洞比科學家們所見過或預期的任何東西都要大得多。這個「洞」橫跨近10億光年,距離地球60到100億光年,位于波江座。(參考一下,一光年大約有6萬億英裡。)太空塵埃圖像長廊是什麼使宇宙的這一大片區域成為一個洞? 該區域幾乎沒有宇宙物質的跡象,沒有恆星、行星、太陽系或宇宙塵埃雲。