我們可以在實驗室裡從能量中創造物質,粒子加速器一直是這樣做的。當我們這樣做的時候,一半的物質和另一半的反物質就產生了。物理學中存在一種對稱性,它要求物質和反物質出現的數量相等。但當我們環顧宇宙時,我們看到的是物質。那麼大爆炸是如何在不產生等量反物質的情況下創造出我們所看到的所有物質的呢?答案可能是中微子。
物質和反物質有點像宇宙孿生兄弟。每種物質粒子都有對應的反物質粒子。兩者之間的主要區別是電荷。例如,一個電子帶負電荷,而反電子(通常稱為正電子)帶正電荷。質子帶正電荷,反質子帶負電荷。
物理學中最基本的對稱性之一是電荷守恆。宇宙中的總電荷是零,這是不會改變的。所以如果你創造了一個帶電荷的物質粒子,你也必須創造一個相應的帶相反電荷的反物質粒子。這種對稱性是物理學的核心,天文學家認為大爆炸產生了等量的物質和反物質。不久之後,一定發生了什麼事,使得宇宙中物質的數量超過了反物質。
什麼機制能讓宇宙打破物質和反物質之間的對稱性?有一種觀點認為是中微子。
中微子是不帶電荷的基本粒子。但是它們確實有一個叫做弱同位旋的性質,本質上就是弱力的「電荷」。這意味著同時存在物質和反物質中微子。但是中微子有兩個特性使它區別於其他基本粒子。首先是它們的質量是「模糊的」。一個中微子可以有三種不同的質量,一個典型的中微子是這三種質量的量子疊加。這就是為什麼中微子可以在不同的味之間滲透。
第二個與手性有關。每一個基本粒子都有一種類似旋轉的特性,稱為自旋。當一個粒子在空間中射出時,自旋和運動可以指向它的運動方向,也可以指向它運動的相反方向。前者被稱為右手性,而後者是左手性。除了中微子之外,物質和反物質粒子都可以具有手性。中微子總是左旋的,反中微子總是右旋的。
我們不知道為什麼會這樣,但有一種觀點認為,手性通過一種稱為蹺蹺板機制的過程來影響中微子的質量。在這個模型中,存在右手中微子和左手反中微子,但它們的質量如此之大,我們在典型的粒子相互作用中看不到它們。這種蹺蹺板機制可以解開我們今天看到的大部分物質宇宙的奧秘。
這個想法是,在物質和反物質在宇宙中出現後不久,宇宙就經歷了一個相變,在這個相變中,轉化成重反中微子的反物質比轉化成重中微子的物質要多。宇宙的總電荷保持為零,物質-反物質的平衡被保留下來,但剩下的大部分是普通物質和重的反中微子。
這是個好想法,但除非你能證明它,否則毫無意義。最近,一個團隊提出了一種可行的方法。如果發生了這樣的相變,質量的變化將在整個可觀測的宇宙中產生引力波。在他們最近的工作中,他們認為未來的重力望遠鏡應該可以探測到這些引力波。如果他們是正確的,這可能最終解決宇宙學中最大的謎團之一。