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宇宙应该“空无一物”,为什么却有了物质(宇宙为什么有物质存在)

来源:互联网编辑 作者:管理员 时间:2021-09-10 16:09:47

你想过没有,为什么宇宙中会有物质,而不是什么都没有?为什么会有你、有我,又有她?这个问题是当今宇宙学,乃至整个物理学最大的一个难题。

那我们是啥?我们是正物质,因为我们是由质子、中子和电子组成的,所以问题是宇宙中为什么会有,质子、中子和电子?

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

那么产生这个问题的原因是,重子数守恒和轻子数守恒,这里我解释一下,质子和中子是重子,电子是轻子,因为一个重,一个轻,所以叫重子和轻子。

重子数守恒和轻子数守恒说的是,宇宙中重子的数量和轻子的数量保持恒定,不会发生变化。

你看,日常生活中的化学反应只会涉及到化学键的断裂和结合,就算是核反应也只是原子核的分裂与重组,并不会影响到重子和轻子,也不会让他们的数量发生改变。

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其次就是β衰变,中子在经过β¯衰变以后,会变成质子、电子和反电子中微子,从这个反应中可以看出,重子数依旧没有变化,只不过是一个中子变成了质子,虽然生成了电子,但又生成了一个反电子中微子,这也叫轻子,但它的轻子数和电子的轻子数相反,所以相互抵消,轻子数依旧没有变化。质子到中子的β+衰变也一样,变来变去并不会改变重子数和轻子数。

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所以就我们目前所知,在当今的低能宇宙中,我们无法改变重子和轻子的数量,那有些同学就要问了,那我拿一个反质子或者一个反电子,跟质子和电子一湮灭,这不就破坏他们的数量守恒了吗?

对!确实可以!但问题是,你去哪找反质子和反电子?要知道,我们所有的实验和观测都表明,当你想要创造一个反物质的时候,同时会创造出一个与之对应的正物质,当你想要毁灭一个正物质的时候,必须要毁灭一个与之对应的反物质。

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

就拿电子来说,狄拉克的方程预示着电子具有负能量,也就是在原子的基态之下,还有负无穷个能级,这些能级都被具有负能量的电子给填满了。

所以具有正能量的电子才没有掉入负能级,这是因为泡利不相容原理,因此真空在我们看来就是一个负能量的海洋,海平面就是能量的0点,海平面之上就是正能量的世界,这就是我们常听说的狄拉克之海。

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既然在0点以下的能级中还有电子,那这些电子就应该能被激发出来,跃迁到正能量的世界,对吧,所以我们只要给真空中注入能量,比如说用一个伽马光撞击原子核,当这个伽马光子的能量等于2mc^2,其中m是电子的质量,我们就能把真空中的电子给他激发出来,那么失去电子的真空就会留下一个空穴,这个空穴会表现出正电荷,这就是我们所说的正电子。

所以说,我们只要创造一个正粒子,就会在真空中留下一个与之对应的空穴,这个空穴就是它的反粒子,正反粒子很快就会湮灭掉,然后释放出刚才激发的能量,说白了就是这个激发出来的正粒子很快就会回到空穴中,也就是跃迁到了更低的能态,然后就释放出能量了。

所以我们不可能改变现今宇宙中的重子数和轻子数,因此我们认为在现今的这个低能宇宙中重子数和轻子数是守恒的。

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并且从高能状态中,我们也能够看出来重子数和轻子数是守恒的,你看,只要能量激发出一个正物质,就会跑出来一个反物质,它俩相互抵消,重子数和轻子数不增不减。

如果把以上的知识用到早期的宇宙中,你就会发现,宇宙诞生的时候,其中的能量应该是创造了等量的物质和反物质,以保证宇宙开始的时候,重子数和轻子数是守恒的,一直保持为0。

然后,随着宇宙的膨胀,温度的降低,正反物质创生的过程停止,已经产生的物质和反物质就会相互湮灭掉,变为光子。

但是还有一些来不及湮灭的正反粒子,会被宇宙的膨胀拉到很远的距离,保留下来,所以最终的结果是,我们宇宙中只会存在少量的质子、反质子,电子,正电子,中微子和反中微子。而会留下大量的光子,那么光子与物质粒子的比例大约为10ˆ20:1。这样的宇宙不会诞生任何物质结构。

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但真实的情况是,我们的宇宙中留下了大量的正物质,光子和物质的比大约为10ˆ9:1,物质的数量比上面的值高了十几个数量级。这说明宇宙从一开始就破坏了守恒规律。

在很长的一段时间内,我们觉得这不可能,所以就一厢情愿认为在宇宙中,应该有反物质组成的恒星、星系、星系团,他们的数量跟我们的正物质的数量相等,但是我们并没有发现反物质的痕迹。

所以现在认为,正反物质在诞生以后,虽然一开始是等量的,但是在宇宙降温的过程中发生了破坏重子数守恒和轻子数守恒的规律,导致了正反物质的数量发生了不对称。

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

那么正物质数量总体上就比反物质多了10亿分之一,那么正反物质湮灭以后,多下来的正物质就保留到了今天,形成我们看到所有的物质结构,当然也包括你和我,还有她。

由于反物质都消失了,而且在今天的低能状态下,我们没有发现可以导致正反物质不对称的物理现象,所以今天的重子数和轻子数也是守恒的。

但是多出来的正物质又表明,曾经的宇宙中出现过不守恒的现象,所以我们就必须解释,宇宙在降温的过程发生了什么?

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

很显然,这是一个世纪大难题,不过不要紧,我们还是对这个问题做出了一些可能的解释,1967年的时候,苏联科学家萨哈罗夫就提出了三个条件,说宇宙只要满足这三个条件,就能造成正反物质的数量不对称。

第一,宇宙在膨胀的过程中,必须偏离热平衡状态。第二,被我们信奉为真理的三种基本对称性,必须有两种破缺,包括C破缺和CP破缺。第三,宇宙中应该存在破坏重子数守恒的相互作用。

这三个条件被称为萨哈罗夫条件,他们必须同时发生,才能解释物质为什么比反物质多了这么多,缺少一个都不行。

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好,下面我解释下这三个条件,第一个破坏热平衡状态,对宇宙来说非常的简单,因为在早期的宇宙中膨胀速度非常快,这就会导致一个地方的物质粒子,还来不及和另外一个地方的物质粒子交换信息,就被拉到了很远的距离,因此它俩的温度就始终不能保持一致。所以我们宇宙就是一个非热平衡状态。那么温度不一样,就有可能发生导致正反物质不对称的物理过程。

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第二个条件,C破缺和CP破缺。在我们宇宙中有三个基本的对称性,C对称,也就电荷共轭对称,说的是,一个粒子和它的反粒子,有相同的物理特性,比如正电子和电子,它俩的质量和自旋是一样,区别是电荷和轻子数相反。

这意味着,反粒子也可以构成一个反物质世界,在反物质世界中的物理规律跟正物质世界是完全一样的,你无法把他们区分开来,这就叫C对称。

比如,那个狄拉克之海,人家反物质世界的人会认为,我们处在海平面以下,他们给真空中施加能量,会激发出正电子,然后形成一个空穴,这个空穴在人家看来就是电子。跟我们看到的完全一样,只不过是反了过来。

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

P对称,也叫镜像对称或者宇称守恒,说的是一个粒子的镜像,和它有着相同的物理规律,只不过是自旋相反,其余的像什么质量、电荷、轻子数、重子数都是一样的。

说白了就是镜中的世界,和我们真实的世界,无法区分,也就是我们无法定义绝对的左右,这就是为啥你每天照镜子的时候,你看到镜中的你并没有觉得有奇怪的地方,这就体现了宇称守恒。

T对称,也就是时间反演对称,说的是,一个粒子不管是时间正流,还是倒流,所经历的物理规律不会发生改变。

再说的简单一点就是,物理规律不会随着时间的改变而发生改变,我们今天总结的物理规律,在过去和未来的宇宙中都适用。

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

除了以上单独的对称以外,还有一个复合对称,也就是CP对称,说的是,一个粒子的反粒子的镜像粒子,和它有相同的物理特性,我们就说这个粒子满足CP对称。

那么什么是C破缺和CP破缺呢?我举个粒子,假如现在有一个介子,它自旋向上,从上往下看假如它是逆时针旋转的,那么它的反粒子从上往下看,也应该是逆时针旋转的,如果这个介子现在发生衰变,从它的上方射出了一个电子,那么只要它的反粒子也跟它保持一样的衰变规律,衰变的时候也是从上方射出一个电子,我们就说它俩满足C对称。

如果它的反粒子衰变的时候,有时会从上方射出电子,有时会从下方射出电子,我们就认为它俩满足的衰变规律不一样,这就叫C破缺。

那么CP破缺也是一样的道理,假如这个介子的反粒子的镜像,衰变的时候也一直往上射出电子,我们就说它俩CP对称。只要它的反粒子的镜像,出现一次往下射出电子的现象,我们就说它俩CP破缺了。

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

总的来说,C破缺和CP破缺,会导致正反粒子的弱相互作用满足不同的规律,因此他们就有可能在宇宙降温的过程中发生不同的衰变,导致正反物质的数量不对称。

目前我们已经发现了三种类型的介子出现了C破缺和CP破缺,介子其实就是夸克和反夸克对组成的,这三种类型的介子包括了三种夸克,奇夸克、底夸克和粲夸克。

但是这远远解释不了,正反物质不对称的数量,所以我们在未来还需要发现更多的粒子在经历弱相互作用作用的时候,违反C和CP对称。

最后说下第三个条件,破坏重子数守恒的相互作用,就像前文说的,我们目前没有发现可以破坏重子数守恒的现象,所以这就成为了正反物质不对称最大的不确定因素了。

所以根据目前我们所掌握的知识,确实可以通过弱相互作用的C破缺和CP破缺造成正反物质的不对称,但是解释不了它俩之间的数量差异,说白了就是还需要更多的破缺。

这也预示着,我们现在所知的标准模型中的粒子并不是宇宙的全部,比如说在电弱力的标度下,也就是早期宇宙的能量达到一定的程度,电磁力就会和弱力合二为一,变为电弱力,此时的宇宙中只有三种基本作用力,电弱力、强力、万有引力。在这种情况下可能会出现新的粒子,当宇宙降温的时候,电弱力变为电磁力和弱力的时候,这种粒子可能就导致了重子数量的破缺。

还有目前大统一理论认为,在电弱力之前的宇宙,能量更高,这时的强力也会加入到电弱力当中,此时的宇宙只有两种力,大统一力和引力。

我们认为在当时存在一种大质量粒子,是它的衰变直接就导致了正反夸克的不对称,进而造成了重子数的破缺。

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还有一个理论是从中微子入手的,因为我们发现所有的中微子都是左手性的,没有右手性的中微子,所有的反中微子都是右手性的,没有左手性的反中微子,这跟其他的粒子不一样。

这里我解释下什么叫左手性中微子和右手性,现在你伸出左手,四指弯曲,竖起大拇指,大拇指的方向代表了中微子的运动方向,那么四指弯曲的方向就代表了中微子的自旋方向。中微子只满足左手手性,反中微子只满足右手手性。

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

所以人们就猜测在早期的宇宙中,应该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,因为他们的衰变导致了轻子数的不对称,而轻子数的不对称,进而就引发了重子数的不对称。

最后还有一种猜测,也就是由弦论所做出的超对称性的预言,它认为在早期的宇宙中,标准模型中所以的粒子,都存在一个超对称伙伴粒子,这个超对称伙伴粒子的自旋和它相差1/2,但质量相等,这是一组非常奇怪的粒子。

宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜

比如说,电子的自旋的1/2,那么它的超对称伙伴的自旋就是1,1就是玻色子呀,也就是光子,但是这个光子的质量和电子是一样的。所以它不稳定要衰变。那么超对称理论就认为,证实这些粒子的衰变导致了正反物质的不对称,

以上说的这几种过程都被称为重子生成,是当今物理学的前言,也是人类知识的边界。当然也都是猜测,未来还需要更多的实验,去发现和验证更多的理论和新粒子,以及解释为什么宇宙不是空无一物,而是充满了物质。

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