早期宇宙与宇宙起源

物质-反物质不对称

如果你天真地读物理定律,物质与反物质看上去像是一对完美的镜像:每一种粒子都有一个反粒子,规则对它们几乎一视同仁。于是你或许会预期一个二者数量相等的宇宙。然而环顾四周,却有一个刺眼的失衡——宇宙是由物质构成的,反物质稀有得近乎绝迹。物质-反物质不对称,指的正是这种偏倚:观测到的事实是,宇宙所含的物质远多于反物质,而对称性似乎本要求一个平局。

具体而言,这种不对称虽微小,却影响深远。在炽热的早期宇宙里,大致每十亿个反物质粒子,就有约十亿零一个物质粒子。当宇宙冷却、物质遇上反物质时,它们几乎完全湮灭成辐射,只剩下那十亿分之一的物质盈余屹立不倒。你所见的一切——每一颗恒星、每一颗行星、每一个人体内的每一个原子——都是那点小小的余数。湮灭掉的那些对,如今以光的形式留存:宇宙微波背景中,每一个物质原子就对应着约十亿个光子。所以这不对称绝非无足轻重的脚注;它正是为什么会有「东西」存在、而不是一个纯由光构成的宇宙的原因。

我们知道这种不对称存在;我们所缺的,是对它如何产生的完整解释,这一问题称为重子生成。我们已在实验室中观测到,自然界确实对物质与反物质稍有区别对待(一种称为 CP 破坏的现象),这令人鼓舞,但已知的量远远不足以产生我们所见的失衡。也没有迹象表明别处存在大片反物质——反物质星系会在物质与反物质相遇之处以伽马射线的闪光暴露自己,而我们并未看到。于是这点小小的数量过剩,这每十亿个多出的一个粒子,是关于「宇宙为何竟能容许存在」这一问题最深刻的未解线索之一。

当一个电子遇上一个正电子(它的反物质孪生兄弟),二者便消失为两个具有精确能量的伽马射线光子。这一反应正被用于医学:正电子发射断层扫描(PET)探测的,恰恰就是这种湮灭闪光。早期宇宙实际上就是一场巨大的 PET 扫描——它几乎所有的物质和反物质都湮灭了,而我们,是那些再也找不到伴侣去湮灭的残余。

物质与反物质湮灭成光;而我们,是那找不到伴侣的盈余。

并不是反物质「打输了一场仗」;这种失衡从一开始就以十亿分之一的过剩被烙印进去。而今日反物质之稀有也是真实的——并不存在我们能探测到的大片反物质区域,所以这种不对称确实是全宇宙性的,而非局部的。

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