为什么会有东西存在？物质的不对称

这道谜题：一个本不该存在的宇宙

到本阶梯的此处，你已经学过：每一种粒子都有一个质量相等、电荷相反的反粒子，二者总是成对地产生又成对地湮灭，而物质与反物质几乎——但并不完美地——互为镜像。最后那个词，几乎，就是这里要讲的全部。早期宇宙是一座炽热到极点的熔炉，粒子-反粒子对不断地从真空中沸腾而出。能量变成一个夸克和一个反夸克；这夸克和反夸克再度相遇，又变回能量。表面上看，这场游戏是完全公平的：每造出一点物质，就有一点反物质与它结伴而生。

如果这场游戏一直绝对公平，结局会很凄凉。随着宇宙膨胀变冷，每个夸克都会找到一个反夸克，每个电子都会找到一个正电子，它们干干净净地湮灭成辐射。整个宇宙将是一汪稀薄而冰冷的光子之海，别无他物——没有恒星，没有行星，没有化学，也没有读者。仅仅是「你在这里、由原子构成」这个事实，就是一条硬证据：账，并没有算平。在某处，以某种方式，物质战胜了反物质。这就是宇宙的重子不对称：物质相对反物质那份悬而未决的盈余，常被概括为重子生成之谜。

盈余有多大？数一数剩下的东西

我们其实能测出账目偏了多少，而那个数字小得令人惊叹。今天的宇宙满是残留的光——宇宙微波背景——每一个原子大约对应着十亿个光子。那些光子，正是当年所有真正发生过的湮灭留下的灰烬。这番推理是倒着走的：在炽热的早期宇宙里有一片浩瀚的夸克-反夸克之海，每十亿来个反夸克，就配着十亿零一个夸克。那十亿对湮灭成了我们今天仍能看见的十亿个光子；每一批里多出来的那一个夸克，就是构筑万物的物质。所以这份不对称大约是十亿分之一——一个本属舍入误差的零头，恰好就是整个物质世界。

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

物质-反物质账本的一张信封背面草图。今天光子与原子之间大约十亿比一的比例，正是早期宇宙那一丁点失衡留下的化石记录——十亿分之一的物质盈余，逃过了湮灭。

那反物质会不会只是藏在某个地方——地平线之外有一片反恒星的星系，终究还是把账平了？天文学家仔细找过，答案是否定的。任何一处物质区域与反物质区域相遇的地方，它们的交界都会迸发出具有非常特定能量的湮灭伽马射线，而我们在任何地方都看不到这样的辉光——星系之间没有，在我们所能巡查的最大尺度上也没有。这份不对称是真实的、全局性的。宇宙是真真切切地选了一边。

萨哈罗夫的三个条件：任何答案都必须遵守的配方

精妙之处在这里。1967 年，物理学家安德烈·萨哈罗夫提出一个问题：一套理论若要从一个完全均衡的宇宙出发、最终落得一份物质盈余，它需要些什么？他发现有三样东西无法回避——萨哈罗夫条件——而它们如此普适，以至于任何诚实的解释，无论现在还是将来，都必须同时满足这三条。它们构成的是一张核对清单，而非一套机制：它们告诉你一个行得通的答案必须包含什么，却不告诉你哪个答案才是对的。

重子数破坏。必须有某种东西能改变物质粒子的总数。重子数——这个记账数，对像质子那样的三夸克组合记 +1，对它的反物质孪生兄弟记 -1——若毫无例外地守恒，你就永远无法把一个均衡的宇宙变成不均衡的。你需要一个过程，能在原本没有夸克的地方净造出一个夸克来。
C 破坏与 CP 破坏。定律对物质和反物质的对待必须稍有不同。即便某个过程能多造出夸克，你也需要它那个反物质的镜像过程以略微不同的速率进行——否则每多出一个夸克，都被多出的一个反夸克恰好抵消。这正是你在 K 介子和 B 介子那几篇里见过的CP 破坏，如今显露为一种宇宙级的必需，而非实验室里的奇观。
偏离热平衡。这一切必须发生在宇宙正在变化之时，而非它安坐于稳定平衡之中。在完美的平衡里，每一个正向反应都被它的逆向反应以同样的速率抵消，于是你积攒起的任何盈余都会立刻被冲刷回去。你需要宇宙膨胀、冷却得足够快，快到一个反应能甩开它的撤销键，赶在失衡被抹平之前就把它冻结下来。

标准模型能通过这场考验吗？还差得远

把标准模型放进萨哈罗夫的清单里跑一遍，结果令人谦卑。原则上它每一格都能打勾——但远远不够分量。重子数确实被破坏了，靠的是弱相互作用部分里一种微妙的量子效应，它在今天完全可以忽略，却在炽热的早期宇宙中相当活跃。CP 也被破坏了，靠的是你在上一篇里追踪过的 CKM 矩阵里那个相位。而宇宙在膨胀时也确实偏离了平衡。所以配料都摆在架子上了。

麻烦在于量级。CKM 矩阵所携带的 CP 破坏太过微弱——大约差了十个数量级——根本无法解释我们观测到的、哪怕只是区区十亿分之一的盈余。那个打破了早期宇宙对称性的东西，远比我们在 B 介子工厂和 LHCb 中能测到的夸克混合要果断得多。这是最干净的迹象之一：我们在实验室里找到的 CP 破坏，虽然千真万确，却不是故事的全部。你所由之构成的物质，在一种精确的意义上，正是「标准模型尚不包含的物理」的证据。

轻子生成：从后门造出物质

如果夸克独力难当此任，也许中微子能行。今天领先的构想是**轻子生成**，它的美妙之处在于：它把物质的不对称，与你早已见过的另一根松散的线头系到了一起——中微子那古怪得出奇的微小质量。回想中微子那一阶梯：跷跷板机制通过假设存在非常重、迄今从未现身的伙伴中微子来解释那些微小的质量——重到只可能存在于宇宙灼热的最初一瞬。

轻子生成提出：这些重的伙伴中微子在早期宇宙中衰变了，而——关键就在这里——它们衰变成物质（轻子）的次数，比衰变成反物质（反轻子）的次数稍稍多了一点。这种偏向一边的衰变同时满足萨哈罗夫的三个条件：它改变了一个粒子数，它破坏 CP，而且它发生于偏离平衡之时——彼时宇宙已冷却到重中微子无法再被重造的程度。结果就是轻子（比如电子）相对反轻子的一小份盈余。然后，前面提到的那种微妙的弱相互作用量子效应伸出手来，把这份轻子盈余的一部分转换成重子盈余——也就是夸克的盈余。在这幅图景里，物质的不对称诞生于轻子部分，再移交给夸克。

这个构想为何如此诱人？因为它能一举解释两道谜题——中微子的轻盈，与物质的存在——又因为它给出一个可核查的预言。整套方案最自然地成立的前提，是中微子乃其自身的反粒子，即所谓的马约拉纳粒子。这一性质会以一种奇异的、迄今从未见过的放射性衰变现身，叫作无中微子双 β 衰变。实验此刻正在搜寻它。倘若找到，轻子生成就获得有力的支持；倘若中微子原来是寻常的狄拉克粒子，那么最简版本就有麻烦了。无论结果如何，一项桌面级的核物理实验，正被请去就「宇宙为何竟含有任何东西」这件事发表意见。

我们停在何处

退后一步，看看一个小小的数字把我们带出了多远。物质那十亿比一的幸存，逼着我们要求重子数破坏、CP 破坏，以及一个偏离平衡的宇宙——萨哈罗夫的三个条件，读起来几乎像一则寓言，讲的是为什么一个冻结的、均衡的宇宙是不育的。它揭穿了实验室所测的 CP 破坏远远太小，把我们周遭的物质化作一桩支持「超越标准模型之物理」的沉静论据。它还指向了轻子生成——后者会把中微子质量与物质的存在编织在一起，而大爆炸核合成与宇宙微波背景，则作为相互独立的佐证，确认这份盈余确实就是这么小。

有句话值得直说：这道难题并未解决。我们手里有一张任何答案都必须遵守的核对清单，有一个带着真实实验抓手的领先候选，还有一项清晰的论证，表明那个轻巧的答案（单凭 CKM 矩阵）远远不够。我们尚未握有答案。而这恰恰就是本阶梯最后一篇要踏上的那片诚实而未竟的前沿——在那里，物质、反物质、以及那些尚存的问题，被一桩一桩、一次一次审慎的测量，带进了实验室去检验。