重子生成
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每一种普通物质粒子都有一个反物质的孪生兄弟——一个电荷相反的反粒子。当一个粒子遇上它的反粒子,二者便湮灭成一道纯能量的闪光。于是有了一个深刻的谜:宇宙几乎完全由物质构成——你、地球、群星都是物质,周围基本没有反物质。如果炽热的早期宇宙曾以相等的数量制造物质与反物质,它们本该把彼此彻底抹除,只留下一个除了光便空无一物的宇宙。重子生成,就是为那个打破平衡、让一点点物质得以幸存的过程所起的名字。
这个词可拆解为「重子的生成(创造)」。重子是由夸克构成的重粒子——质子和中子,原子核的基本砖块。在极热的早期宇宙里,粒子和反粒子不断地被创造又被毁灭。重子生成,指的是在最初不到一秒的某个时刻,物质相对于反物质产生了微小的过剩:大致每十亿个反夸克,就有约十亿零一个夸克。当一切湮灭之后,那十亿分之一的剩余,成了今日宇宙中所有的物质,而湮灭掉的那十亿对,则成了宇宙微波背景中的光子。
在基础物理的层面上,这个谜确实尚未解开。1967 年,物理学家安德烈·萨哈罗夫阐明了任何成功的重子生成都必须满足的三个条件——必须存在能改变重子净数目的过程、一种内在的偏爱物质胜过反物质的倾向(一种对称性破坏),以及对完美平衡态的偏离。已知的粒子物理定律(标准模型)原则上确实满足这些条件,但它们所产生的效应,远远不足以解释我们观测到的不对称。所以,尽管我们确信确有某种产生不对称的过程发生过,但究竟是哪一种——以及它需要什么样的新物理——仍是宇宙学与粒子物理中悬而未决的重大问题之一。
这点剩余的大小,可以直接从天上读出。宇宙中每存活一个重子,宇宙微波背景里就约有 16 亿个光子——那是所有湮灭掉的物质-反物质对留下的灰烬。这一比值告诉我们,早期的失衡仅约为每十亿个反夸克多出一个夸克。你触摸过的一切固体之物,都是那十亿分之一的幸存者。
我们之所以存在,是因为物质比反物质多出了约十亿分之一。
重子生成命名的是问题,而不是已成定论的答案。标准模型能破坏物质-反物质对称性,但弱得远不足以解释观测到的过剩,所以它确实尚未解决,并指向我们已知之外的物理。