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。