宇宙的重子不對稱
/ BAR-ee-on /
這裡有一個科學上最大的未解之謎,就明擺在眼前:為什麼會有任何東西存在?宇宙是由物質構成的——恆星、行星、你——周圍幾乎沒有反物質。但我們最好的物理學說,熾熱的早期宇宙本應等量地產生物質和反物質,而等量的兩者會徹底相互湮滅,只剩下一個除了光什麼都沒有的宇宙。物質居然存活了下來,這意味著曾存在一種微小而神祕的不平衡。這份剩餘的、物質多於反物質的過剩,就叫作宇宙的重子不對稱。
重子是由三個夸克構成的重粒子,質子和中子是大家熟悉的例子;「重子不對稱」指的是這些物質粒子相對其反物質對應物的過剩。我們其實能測量這種偏斜有多大。透過研究宇宙微波背景以及大霹靂剛結束時生成的輕元素豐度,宇宙學家推斷:在早期宇宙中,大約每十億個反物質粒子,就對應約十億零一個物質粒子。那十億對相互湮滅,化為我們至今仍以宇宙微波背景形式看到的光子之海,而那十億分之一的微小盈餘,就是今天宇宙中一切物質性的東西,也包括我們自己。
解釋那十億分之一的不平衡,是物理學的一個核心未解難題。在標準宇宙學中,它不可能從一開始就存在——暴脹會把任何初始過剩稀釋殆盡——所以它必定是由早期宇宙中的物理過程動態產生的,這種情景叫作重子生成。我們知道任何這樣的過程必須滿足的大致條件(薩哈羅夫條件),也知道標準模型含有一些 CP 破壞,這是一味關鍵原料。一個誠實而重要的提醒是:我們測得的 CP 破壞遠遠太弱,標準模型的其他原料也太無力,不足以產生觀測到的不對稱——所以「為何有任何東西存在」這一問題,至今確實未獲解釋,並且是「存在標準模型之外的物理」最有力的暗示之一。
從宇宙微波背景推斷,早期宇宙中每十億對物質-反物質,只多出大約一個物質粒子;那些對相互湮滅,化為至今仍沐浴天空的光子,而那剩下的十億分之一,就是我們今天所見的全部物質。
我們是一場幾乎全軍覆沒的湮滅中,十億分之一的倖存者。
我們沒有證據表明宇宙別處存在大片反物質區域;如果物質星系與反物質星系並存,它們之間的邊界會發出湮滅輻射,而我們並未觀測到這種輻射,所以這種不對稱看來是真實的,而不僅僅是局部的。