你想過沒有，為什么宇宙中會(huì)有物質(zhì)，而不是什么都沒有？為什么會(huì)有你、有我，又有她？這個(gè)問題是當(dāng)今宇宙學(xué)，乃至整個(gè)物理學(xué)最大的一個(gè)難題。
那我們是啥？我們是正物質(zhì)，因?yàn)槲覀兪怯少|(zhì)子、中子和電子組成的，所以問題是宇宙中為什么會(huì)有，質(zhì)子、中子和電子？
那么產(chǎn)生這個(gè)問題的原因是，重子數(shù)守恒和輕子數(shù)守恒，這里我解釋一下，質(zhì)子和中子是重子，電子是輕子，因?yàn)橐粋€(gè)重，一個(gè)輕，所以叫重子和輕子。
重子數(shù)守恒和輕子數(shù)守恒說的是，宇宙中重子的數(shù)量和輕子的數(shù)量保持恒定，不會(huì)發(fā)生變化。
你看，日常生活中的化學(xué)反應(yīng)只會(huì)涉及到化學(xué)鍵的斷裂和結(jié)合，就算是核反應(yīng)也只是原子核的分裂與重組，并不會(huì)影響到重子和輕子，也不會(huì)讓他們的數(shù)量發(fā)生改變。
其次就是β衰變，中子在經(jīng)過βˉ衰變以后，會(huì)變成質(zhì)子、電子和反電子中微子，從這個(gè)反應(yīng)中可以看出，重子數(shù)依舊沒有變化，只不過是一個(gè)中子變成了質(zhì)子，雖然生成了電子，但又生成了一個(gè)反電子中微子，這也叫輕子，但它的輕子數(shù)和電子的輕子數(shù)相反，所以相互抵消，輕子數(shù)依舊沒有變化。質(zhì)子到中子的β＋衰變也一樣，變來變?nèi)ゲ⒉粫?huì)改變重子數(shù)和輕子數(shù)。
所以就我們目前所知，在當(dāng)今的低能宇宙中，我們無法改變重子和輕子的數(shù)量，那有些同學(xué)就要問了，那我拿一個(gè)反質(zhì)子或者一個(gè)反電子，跟質(zhì)子和電子一湮滅，這不就破壞他們的數(shù)量守恒了嗎？
對！確實(shí)可以！但問題是，你去哪找反質(zhì)子和反電子？要知道，我們所有的實(shí)驗(yàn)和觀測都表明，當(dāng)你想要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)反物質(zhì)的時(shí)候，同時(shí)會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)與之對應(yīng)的正物質(zhì)，當(dāng)你想要?dú)缫粋€(gè)正物質(zhì)的時(shí)候，必須要?dú)缫粋€(gè)與之對應(yīng)的反物質(zhì)。
就拿電子來說，狄拉克的方程預(yù)示著電子具有負(fù)能量，也就是在原子的基態(tài)之下，還有負(fù)無窮個(gè)能級，這些能級都被具有負(fù)能量的電子給填滿了。
所以具有正能量的電子才沒有掉入負(fù)能級，這是因?yàn)榕堇幌嗳菰?，因此真空在我們看來就是一個(gè)負(fù)能量的海洋，海平面就是能量的0點(diǎn)，海平面之上就是正能量的世界，這就是我們常聽說的狄拉克之海。
既然在0點(diǎn)以下的能級中還有電子，那這些電子就應(yīng)該能被激發(fā)出來，躍遷到正能量的世界，對吧，所以我們只要給真空中注入能量，比如說用一個(gè)伽馬光撞擊原子核，當(dāng)這個(gè)伽馬光子的能量等于2mc^2，其中m是電子的質(zhì)量，我們就能把真空中的電子給他激發(fā)出來，那么失去電子的真空就會(huì)留下一個(gè)空穴，這個(gè)空穴會(huì)表現(xiàn)出正電荷，這就是我們所說的正電子。
所以說，我們只要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)正粒子，就會(huì)在真空中留下一個(gè)與之對應(yīng)的空穴，這個(gè)空穴就是它的反粒子，正反粒子很快就會(huì)湮滅掉，然后釋放出剛才激發(fā)的能量，說白了就是這個(gè)激發(fā)出來的正粒子很快就會(huì)回到空穴中，也就是躍遷到了更低的能態(tài)，然后就釋放出能量了。
所以我們不可能改變現(xiàn)今宇宙中的重子數(shù)和輕子數(shù)，因此我們認(rèn)為在現(xiàn)今的這個(gè)低能宇宙中重子數(shù)和輕子數(shù)是守恒的。
并且從高能狀態(tài)中，我們也能夠看出來重子數(shù)和輕子數(shù)是守恒的，你看，只要能量激發(fā)出一個(gè)正物質(zhì)，就會(huì)跑出來一個(gè)反物質(zhì)，它倆相互抵消，重子數(shù)和輕子數(shù)不增不減。
如果把以上的知識用到早期的宇宙中，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，宇宙誕生的時(shí)候，其中的能量應(yīng)該是創(chuàng)造了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，以保證宇宙開始的時(shí)候，重子數(shù)和輕子數(shù)是守恒的，一直保持為0。
然后，隨著宇宙的膨脹，溫度的降低，正反物質(zhì)創(chuàng)生的過程停止，已經(jīng)產(chǎn)生的物質(zhì)和反物質(zhì)就會(huì)相互湮滅掉，變?yōu)楣庾印?/span>
但是還有一些來不及湮滅的正反粒子，會(huì)被宇宙的膨脹拉到很遠(yuǎn)的距離，保留下來，所以最終的結(jié)果是，我們宇宙中只會(huì)存在少量的質(zhì)子、反質(zhì)子，電子，正電子，中微子和反中微子。而會(huì)留下大量的光子，那么光子與物質(zhì)粒子的比例大約為10?20：1。這樣的宇宙不會(huì)誕生任何物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
但真實(shí)的情況是，我們的宇宙中留下了大量的正物質(zhì)，光子和物質(zhì)的比大約為10?9：1，物質(zhì)的數(shù)量比上面的值高了十幾個(gè)數(shù)量級。這說明宇宙從一開始就破壞了守恒規(guī)律。
在很長的一段時(shí)間內(nèi)，我們覺得這不可能，所以就一廂情愿認(rèn)為在宇宙中，應(yīng)該有反物質(zhì)組成的恒星、星系、星系團(tuán)，他們的數(shù)量跟我們的正物質(zhì)的數(shù)量相等，但是我們并沒有發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)的痕跡。
所以現(xiàn)在認(rèn)為，正反物質(zhì)在誕生以后，雖然一開始是等量的，但是在宇宙降溫的過程中發(fā)生了破壞重子數(shù)守恒和輕子數(shù)守恒的規(guī)律，導(dǎo)致了正反物質(zhì)的數(shù)量發(fā)生了不對稱。
那么正物質(zhì)數(shù)量總體上就比反物質(zhì)多了10億分之一，那么正反物質(zhì)湮滅以后，多下來的正物質(zhì)就保留到了今天，形成我們看到所有的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然也包括你和我，還有她。
由于反物質(zhì)都消失了，而且在今天的低能狀態(tài)下，我們沒有發(fā)現(xiàn)可以導(dǎo)致正反物質(zhì)不對稱的物理現(xiàn)象，所以今天的重子數(shù)和輕子數(shù)也是守恒的。
但是多出來的正物質(zhì)又表明，曾經(jīng)的宇宙中出現(xiàn)過不守恒的現(xiàn)象，所以我們就必須解釋，宇宙在降溫的過程發(fā)生了什么？
很顯然，這是一個(gè)世紀(jì)大難題，不過不要緊，我們還是對這個(gè)問題做出了一些可能的解釋，1967年的時(shí)候，蘇聯(lián)科學(xué)家薩哈羅夫就提出了三個(gè)條件，說宇宙只要滿足這三個(gè)條件，就能造成正反物質(zhì)的數(shù)量不對稱。
第一，宇宙在膨脹的過程中，必須偏離熱平衡狀態(tài)。第二，被我們信奉為真理的三種基本對稱性，必須有兩種破缺，包括C破缺和CP破缺。第三，宇宙中應(yīng)該存在破壞重子數(shù)守恒的相互作用。
這三個(gè)條件被稱為薩哈羅夫條件，他們必須同時(shí)發(fā)生，才能解釋物質(zhì)為什么比反物質(zhì)多了這么多，缺少一個(gè)都不行。
好，下面我解釋下這三個(gè)條件，第一個(gè)破壞熱平衡狀態(tài)，對宇宙來說非常的簡單，因?yàn)樵谠缙诘挠钪嬷信蛎浰俣确浅？欤@就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)地方的物質(zhì)粒子，還來不及和另外一個(gè)地方的物質(zhì)粒子交換信息，就被拉到了很遠(yuǎn)的距離，因此它倆的溫度就始終不能保持一致。所以我們宇宙就是一個(gè)非熱平衡狀態(tài)。那么溫度不一樣，就有可能發(fā)生導(dǎo)致正反物質(zhì)不對稱的物理過程。
第二個(gè)條件，C破缺和CP破缺。在我們宇宙中有三個(gè)基本的對稱性，C對稱，也就電荷共軛對稱，說的是，一個(gè)粒子和它的反粒子，有相同的物理特性，比如正電子和電子，它倆的質(zhì)量和自旋是一樣，區(qū)別是電荷和輕子數(shù)相反。
這意味著，反粒子也可以構(gòu)成一個(gè)反物質(zhì)世界，在反物質(zhì)世界中的物理規(guī)律跟正物質(zhì)世界是完全一樣的，你無法把他們區(qū)分開來，這就叫C對稱。
比如，那個(gè)狄拉克之海，人家反物質(zhì)世界的人會(huì)認(rèn)為，我們處在海平面以下，他們給真空中施加能量，會(huì)激發(fā)出正電子，然后形成一個(gè)空穴，這個(gè)空穴在人家看來就是電子。跟我們看到的完全一樣，只不過是反了過來。
P對稱，也叫鏡像對稱或者宇稱守恒，說的是一個(gè)粒子的鏡像，和它有著相同的物理規(guī)律，只不過是自旋相反，其余的像什么質(zhì)量、電荷、輕子數(shù)、重子數(shù)都是一樣的。
說白了就是鏡中的世界，和我們真實(shí)的世界，無法區(qū)分，也就是我們無法定義絕對的左右，這就是為啥你每天照鏡子的時(shí)候，你看到鏡中的你并沒有覺得有奇怪的地方，這就體現(xiàn)了宇稱守恒。
T對稱，也就是時(shí)間反演對稱，說的是，一個(gè)粒子不管是時(shí)間正流，還是倒流，所經(jīng)歷的物理規(guī)律不會(huì)發(fā)生改變。
再說的簡單一點(diǎn)就是，物理規(guī)律不會(huì)隨著時(shí)間的改變而發(fā)生改變，我們今天總結(jié)的物理規(guī)律，在過去和未來的宇宙中都適用。
除了以上單獨(dú)的對稱以外，還有一個(gè)復(fù)合對稱，也就是CP對稱，說的是，一個(gè)粒子的反粒子的鏡像粒子，和它有相同的物理特性，我們就說這個(gè)粒子滿足CP對稱。
那么什么是C破缺和CP破缺呢？我舉個(gè)粒子，假如現(xiàn)在有一個(gè)介子，它自旋向上，從上往下看假如它是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，那么它的反粒子從上往下看，也應(yīng)該是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，如果這個(gè)介子現(xiàn)在發(fā)生衰變，從它的上方射出了一個(gè)電子，那么只要它的反粒子也跟它保持一樣的衰變規(guī)律，衰變的時(shí)候也是從上方射出一個(gè)電子，我們就說它倆滿足C對稱。
如果它的反粒子衰變的時(shí)候，有時(shí)會(huì)從上方射出電子，有時(shí)會(huì)從下方射出電子，我們就認(rèn)為它倆滿足的衰變規(guī)律不一樣，這就叫C破缺。
那么CP破缺也是一樣的道理，假如這個(gè)介子的反粒子的鏡像，衰變的時(shí)候也一直往上射出電子，我們就說它倆CP對稱。只要它的反粒子的鏡像，出現(xiàn)一次往下射出電子的現(xiàn)象，我們就說它倆CP破缺了。
總的來說，C破缺和CP破缺，會(huì)導(dǎo)致正反粒子的弱相互作用滿足不同的規(guī)律，因此他們就有可能在宇宙降溫的過程中發(fā)生不同的衰變，導(dǎo)致正反物質(zhì)的數(shù)量不對稱。
目前我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種類型的介子出現(xiàn)了C破缺和CP破缺，介子其實(shí)就是夸克和反夸克對組成的，這三種類型的介子包括了三種夸克，奇夸克、底夸克和粲夸克。
但是這遠(yuǎn)遠(yuǎn)解釋不了，正反物質(zhì)不對稱的數(shù)量，所以我們在未來還需要發(fā)現(xiàn)更多的粒子在經(jīng)歷弱相互作用作用的時(shí)候，違反C和CP對稱。
最后說下第三個(gè)條件，破壞重子數(shù)守恒的相互作用，就像前文說的，我們目前沒有發(fā)現(xiàn)可以破壞重子數(shù)守恒的現(xiàn)象，所以這就成為了正反物質(zhì)不對稱最大的不確定因素了。
所以根據(jù)目前我們所掌握的知識，確實(shí)可以通過弱相互作用的C破缺和CP破缺造成正反物質(zhì)的不對稱，但是解釋不了它倆之間的數(shù)量差異，說白了就是還需要更多的破缺。
這也預(yù)示著，我們現(xiàn)在所知的標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子并不是宇宙的全部，比如說在電弱力的標(biāo)度下，也就是早期宇宙的能量達(dá)到一定的程度，電磁力就會(huì)和弱力合二為一，變?yōu)殡娙趿?，此時(shí)的宇宙中只有三種基本作用力，電弱力、強(qiáng)力、萬有引力。在這種情況下可能會(huì)出現(xiàn)新的粒子，當(dāng)宇宙降溫的時(shí)候，電弱力變?yōu)殡姶帕腿趿Φ臅r(shí)候，這種粒子可能就導(dǎo)致了重子數(shù)量的破缺。
還有目前大統(tǒng)一理論認(rèn)為，在電弱力之前的宇宙，能量更高，這時(shí)的強(qiáng)力也會(huì)加入到電弱力當(dāng)中，此時(shí)的宇宙只有兩種力，大統(tǒng)一力和引力。
我們認(rèn)為在當(dāng)時(shí)存在一種大質(zhì)量粒子，是它的衰變直接就導(dǎo)致了正反夸克的不對稱，進(jìn)而造成了重子數(shù)的破缺。
還有一個(gè)理論是從中微子入手的，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)所有的中微子都是左手性的，沒有右手性的中微子，所有的反中微子都是右手性的，沒有左手性的反中微子，這跟其他的粒子不一樣。
這里我解釋下什么叫左手性中微子和右手性，現(xiàn)在你伸出左手，四指彎曲，豎起大拇指，大拇指的方向代表了中微子的運(yùn)動(dòng)方向，那么四指彎曲的方向就代表了中微子的自旋方向。中微子只滿足左手手性，反中微子只滿足右手手性。
所以人們就猜測在早期的宇宙中，應(yīng)該存在大量的非常重的右手性中微子，和非常重的左手性反中微子，因?yàn)樗麄兊乃プ儗?dǎo)致了輕子數(shù)的不對稱，而輕子數(shù)的不對稱，進(jìn)而就引發(fā)了重子數(shù)的不對稱。
最后還有一種猜測，也就是由弦論所做出的超對稱性的預(yù)言，它認(rèn)為在早期的宇宙中，標(biāo)準(zhǔn)模型中所以的粒子，都存在一個(gè)超對稱伙伴粒子，這個(gè)超對稱伙伴粒子的自旋和它相差1/2，但質(zhì)量相等，這是一組非常奇怪的粒子。
比如說，電子的自旋的1/2，那么它的超對稱伙伴的自旋就是1，1就是玻色子呀，也就是光子，但是這個(gè)光子的質(zhì)量和電子是一樣的。所以它不穩(wěn)定要衰變。那么超對稱理論就認(rèn)為，證實(shí)這些粒子的衰變導(dǎo)致了正反物質(zhì)的不對稱，
以上說的這幾種過程都被稱為重子生成，是當(dāng)今物理學(xué)的前言，也是人類知識的邊界。當(dāng)然也都是猜測，未來還需要更多的實(shí)驗(yàn)，去發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證更多的理論和新粒子，以及解釋為什么宇宙不是空無一物，而是充滿了物質(zhì)。
