這道謎題：一個本不該存在的宇宙
到本階梯的此處，你已經學過：每一種粒子都有一個質量相等、電荷相反的反粒子，二者總是成對地產生又成對地湮滅，而物質與反物質幾乎——但並不完美地——互為鏡像。最後那個詞，幾乎，就是這裡要講的全部。早期宇宙是一座熾熱到極點的熔爐，粒子-反粒子對不斷地從真空中沸騰而出。能量變成一個夸克和一個反夸克；這夸克和反夸克再度相遇，又變回能量。表面上看，這場遊戲是完全公平的：每造出一點物質，就有一點反物質與它結伴而生。
如果這場遊戲一直絕對公平，結局會很淒涼。隨著宇宙膨脹變冷，每個夸克都會找到一個反夸克，每個電子都會找到一個正電子，它們乾乾淨淨地湮滅成輻射。整個宇宙將是一汪稀薄而冰冷的光子之海，別無他物——沒有恆星，沒有行星，沒有化學，也沒有讀者。僅僅是「你在這裡、由原子構成」這個事實，就是一條硬證據：帳，並沒有算平。在某處，以某種方式，物質戰勝了反物質。這就是宇宙的重子不對稱：物質相對反物質那份懸而未決的盈餘，常被概括為重子生成之謎。
盈餘有多大？數一數剩下的東西
我們其實能測出帳目偏了多少，而那個數字小得令人驚嘆。今天的宇宙滿是殘留的光——宇宙微波背景——每一個原子大約對應著十億個光子。那些光子，正是當年所有真正發生過的湮滅留下的灰燼。這番推理是倒著走的：在熾熱的早期宇宙裡有一片浩瀚的夸克-反夸克之海，每十億來個反夸克，就配著十億零一個夸克。那十億對湮滅成了我們今天仍能看見的十億個光子；每一批裡多出來的那一個夸克，就是構築萬物的物質。所以這份不對稱大約是十億分之一——一個本屬捨入誤差的零頭，恰好就是整個物質世界。
early universe, per batch: 1,000,000,001 quarks
1,000,000,000 antiquarks
1,000,000,000 pairs --> annihilate --> ~1,000,000,000 photons (the CMB)
1 leftover quark --> survives --> the matter we are made of
asymmetry = (matter - antimatter) / photons ~ 1 in 1,000,000,000那反物質會不會只是藏在某個地方——地平線之外有一片反恆星的星系，終究還是把帳平了？天文學家仔細找過，答案是否定的。任何一處物質區域與反物質區域相遇的地方，它們的交界都會迸發出具有非常特定能量的湮滅伽馬射線，而我們在任何地方都看不到這樣的輝光——星系之間沒有，在我們所能巡查的最大尺度上也沒有。這份不對稱是真實的、全局性的。宇宙是真真切切地選了一邊。
薩哈羅夫的三個條件：任何答案都必須遵守的配方
精妙之處在這裡。1967 年，物理學家安德烈·薩哈羅夫提出一個問題：一套理論若要從一個完全均衡的宇宙出發、最終落得一份物質盈餘，它需要些什麼？他發現有三樣東西無法迴避——薩哈羅夫條件——而它們如此普適，以至於任何誠實的解釋，無論現在還是將來，都必須同時滿足這三條。它們構成的是一張核對清單，而非一套機制：它們告訴你一個行得通的答案必須包含什麼，卻不告訴你哪個答案才是對的。
- 重子數破壞。必須有某種東西能改變物質粒子的總數。重子數——這個記帳數，對像質子那樣的三夸克組合記 +1，對它的反物質孿生兄弟記 -1——若毫無例外地守恆，你就永遠無法把一個均衡的宇宙變成不均衡的。你需要一個過程，能在原本沒有夸克的地方淨造出一個夸克來。
- C 破壞與 CP 破壞。定律對物質和反物質的對待必須稍有不同。即便某個過程能多造出夸克，你也需要它那個反物質的鏡像過程以略微不同的速率進行——否則每多出一個夸克，都被多出的一個反夸克恰好抵消。這正是你在 K 介子和 B 介子那幾篇裡見過的CP 破壞，如今顯露為一種宇宙級的必需，而非實驗室裡的奇觀。
- 偏離熱平衡。這一切必須發生在宇宙正在變化之時，而非它安坐於穩定平衡之中。在完美的平衡裡，每一個正向反應都被它的逆向反應以同樣的速率抵消，於是你積攢起的任何盈餘都會立刻被沖刷回去。你需要宇宙膨脹、冷卻得足夠快，快到一個反應能甩開它的撤銷鍵，趕在失衡被抹平之前就把它凍結下來。
標準模型能通過這場考驗嗎？還差得遠
把標準模型放進薩哈羅夫的清單裡跑一遍，結果令人謙卑。原則上它每一格都能打勾——但遠遠不夠分量。重子數確實被破壞了，靠的是弱交互作用部分裡一種微妙的量子效應，它在今天完全可以忽略，卻在熾熱的早期宇宙中相當活躍。CP 也被破壞了，靠的是你在上一篇裡追蹤過的 CKM 矩陣裡那個相位。而宇宙在膨脹時也確實偏離了平衡。所以配料都擺在架子上了。
麻煩在於量級。CKM 矩陣所攜帶的 CP 破壞太過微弱——大約差了十個數量級——根本無法解釋我們觀測到的、哪怕只是區區十億分之一的盈餘。那個打破了早期宇宙對稱性的東西，遠比我們在 B 介子工廠和 LHCb 中能測到的夸克混合要果斷得多。這是最乾淨的跡象之一：我們在實驗室裡找到的 CP 破壞，雖然千真萬確，卻不是故事的全部。你所由之構成的物質，在一種精確的意義上，正是「標準模型尚不包含的物理」的證據。
輕子生成：從後門造出物質
如果夸克獨力難當此任，也許微中子能行。今天領先的構想是**輕子生成**，它的美妙之處在於：它把物質的不對稱，與你早已見過的另一根鬆散的線頭繫到了一起——微中子那古怪得出奇的微小質量。回想微中子那一階梯：蹺蹺板機制通過假設存在非常重、迄今從未現身的夥伴微中子來解釋那些微小的質量——重到只可能存在於宇宙灼熱的最初一瞬。
輕子生成提出：這些重的夥伴微中子在早期宇宙中衰變了，而——關鍵就在這裡——它們衰變成物質（輕子）的次數，比衰變成反物質（反輕子）的次數稍稍多了一點。這種偏向一邊的衰變同時滿足薩哈羅夫的三個條件：它改變了一個粒子數，它破壞 CP，而且它發生於偏離平衡之時——彼時宇宙已冷卻到重微中子無法再被重造的程度。結果就是輕子（比如電子）相對反輕子的一小份盈餘。然後，前面提到的那種微妙的弱交互作用量子效應伸出手來，把這份輕子盈餘的一部分轉換成重子盈餘——也就是夸克的盈餘。在這幅圖景裡，物質的不對稱誕生於輕子部分，再移交給夸克。
這個構想為何如此誘人？因為它能一舉解釋兩道謎題——微中子的輕盈，與物質的存在——又因為它給出一個可核查的預言。整套方案最自然地成立的前提，是微中子乃其自身的反粒子，即所謂的馬約拉納粒子。這一性質會以一種奇異的、迄今從未見過的放射性衰變現身，叫作無微中子雙 β 衰變。實驗此刻正在搜尋它。倘若找到，輕子生成就獲得有力的支持；倘若微中子原來是尋常的狄拉克粒子，那麼最簡版本就有麻煩了。無論結果如何，一項桌面級的核物理實驗，正被請去就「宇宙為何竟含有任何東西」這件事發表意見。
我們停在何處
退後一步，看看一個小小的數字把我們帶出了多遠。物質那十億比一的倖存，逼著我們要求重子數破壞、CP 破壞，以及一個偏離平衡的宇宙——薩哈羅夫的三個條件，讀起來幾乎像一則寓言，講的是為什麼一個凍結的、均衡的宇宙是不育的。它揭穿了實驗室所測的 CP 破壞遠遠太小，把我們周遭的物質化作一樁支持「超越標準模型之物理」的沉靜論據。它還指向了輕子生成——後者會把微中子質量與物質的存在編織在一起，而大霹靂核合成與宇宙微波背景，則作為相互獨立的佐證，確認這份盈餘確實就是這麼小。
有句話值得直說：這道難題並未解決。我們手裡有一張任何答案都必須遵守的核對清單，有一個帶著真實實驗抓手的領先候選，還有一項清晰的論證，表明那個輕巧的答案（單憑 CKM 矩陣）遠遠不夠。我們尚未握有答案。而這恰恰就是本階梯最後一篇要踏上的那片誠實而未竟的前沿——在那裡，物質、反物質、以及那些尚存的問題，被一樁一樁、一次一次審慎的測量，帶進了實驗室去檢驗。