早期宇宙與宇宙起源

物質-反物質不對稱

如果你天真地讀物理定律,物質與反物質看上去像是一對完美的鏡像:每一種粒子都有一個反粒子,規則對它們幾乎一視同仁。於是你或許會預期一個二者數量相等的宇宙。然而環顧四周,卻有一個刺眼的失衡——宇宙是由物質構成的,反物質稀有得近乎絕跡。物質-反物質不對稱,指的正是這種偏倚:觀測到的事實是,宇宙所含的物質遠多於反物質,而對稱性似乎本要求一個平局。

具體而言,這種不對稱雖微小,卻影響深遠。在熾熱的早期宇宙裡,大致每十億個反物質粒子,就有約十億零一個物質粒子。當宇宙冷卻、物質遇上反物質時,它們幾乎完全湮滅成輻射,只剩下那十億分之一的物質盈餘屹立不倒。你所見的一切——每一顆恒星、每一顆行星、每一個人體內的每一個原子——都是那點小小的餘數。湮滅掉的那些對,如今以光的形式留存:宇宙微波背景中,每一個物質原子就對應著約十億個光子。所以這不對稱絕非無足輕重的腳註;它正是為什麼會有「東西」存在、而不是一個純由光構成的宇宙的原因。

我們知道這種不對稱存在;我們所缺的,是對它如何產生的完整解釋,這一問題稱為重子生成。我們已在實驗室中觀測到,自然界確實對物質與反物質稍有區別對待(一種稱為 CP 破壞的現象),這令人鼓舞,但已知的量遠遠不足以產生我們所見的失衡。也沒有跡象表明別處存在大片反物質——反物質星系會在物質與反物質相遇之處以伽馬射線的閃光暴露自己,而我們並未看到。於是這點小小的數量過剩,這每十億個多出的一個粒子,是關於「宇宙為何竟能容許存在」這一問題最深刻的未解線索之一。

當一個電子遇上一個正電子(它的反物質孿生兄弟),二者便消失為兩個具有精確能量的伽馬射線光子。這一反應正被用於醫學:正電子發射斷層掃描(PET)探測的,恰恰就是這種湮滅閃光。早期宇宙實際上就是一場巨大的 PET 掃描——它幾乎所有的物質和反物質都湮滅了,而我們,是那些再也找不到伴侶去湮滅的殘餘。

物質與反物質湮滅成光;而我們,是那找不到伴侶的盈餘。

並不是反物質「打輸了一場仗」;這種失衡從一開始就以十億分之一的過剩被烙印進去。而今日反物質之稀有也是真實的——並不存在我們能探測到的大片反物質區域,所以這種不對稱確實是全宇宙性的,而非局部的。

又稱
baryon asymmetrymatter-antimatter imbalance重子不对称物质反物质失衡