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黑暗宇宙中的秘密:宇宙中的反物质都到哪里去了?

在这幅图中,电子和它们的反物质对应物——正电子,在中子周围相互作用。但为什么宇宙中我们能看到的物质比反物质多得多?图片来源:美国宇

作者: | 2019-03-27 21:22:38 | 来源:搜狐

在这幅图中,电子和它们的反物质对应物——正电子,在中子周围相互作用。但为什么宇宙中我们能看到的物质比反物质多得多?图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

作者:保罗·M·萨特(Paul M. Sutter)是俄亥俄州立大学(Ohio State University)的天体物理学家,主持过《向宇航员和太空电台提问》(Ask a Spaceman and Space Radio)节目,著有《你在宇宙中的位置》(Your Place in The Universe)一书。

我们知道有一种物质被叫做“反物质”,你以前可能听说过,它就像普通物质一样,具有相同的性质和组成原子和分子的能力,但它和普通物质之间有一个关键的区别:它具有相反的电荷。举个简单的粒子,一颗电子,其质量为9.11 x10^-31千克,1/2的量子自旋,电荷是1.6 x 10^-9库仑。

它有一个反物质的孪生兄弟,正电子,正电子的质量是9.11 x10^-31千克,1/2的量子自旋,电荷是-1.6 x 10^-9库仑。

对于其他粒子也是一样。顶夸克有一个暗面双生子(反物质),中微子,介子等等。构成我们日常生活的所有基本粒子都有一个反物质伙伴,而它们就住在电荷栅栏的另一边。

这一切都很好,非常好,没什么大不了的,除了一件有点重要的事。就我们所能理解的理论和观察到的情况来看,物质和反物质不仅是这样配对,而且它们还是对称的,在一个反应中产生的每一个正常物质粒子都有它的反物质同胞粒子伴随配对出现。

这导致我们得出了一个唯一的结论:我们的宇宙中应该充满了反物质,这些反物质与普通物质等量存在。那就是说,整个行星、恒星和星系都可以是由反物质构成的!或者至少说,宇宙中漂浮着大量的反物质粒子。

但当物质和反物质相遇时,那就不是什么好消息了。就像在基本相互作用中粒子会成对产生一样,它们也会成对被破坏。当一个粒子最终与它的反粒子伙伴相遇并“握手”时,他们就会像虎豹小霸王一样:在一片辉煌中陨落。

它们所有的组成物质都会转化为能量,这些能量通常以高能伽马射线辐射的形式存在。

力量中的扰动

我们没有在宇宙中看到大量自由漂浮的反物质,因为我们没有看到它在遇到普通物质时出现的那种必然破坏后果。

宇宙中充满了不断相互作用的物质:跨越光年的高能粒子,物质从星系中逸出,新的物质会涌进去,恒星会相互碰撞。在我们的宇宙中,物质无时无刻都在与其他物质混合,但如果其中有相当一部分是反物质的话,宇宙应该会比现在更活跃才对。

那如果反物质不在宇宙的话,它去哪了?

一种可能性是:我们的宇宙生来就是这样的,我们的宇宙有着丰富的物质,但它严重缺乏反物质。这听起来勉强可以作为一个借口,但并不是一个很好的解释。“它本来就是这样的”这个观点在科学界里并不是最令人信服的论点。所以,尽管你是能够这么说,但还是让我们转向其他更有成效的研究调查吧。

也许宇宙早期的某些东西导致了物质和反物质之间的不平衡。

这不是一个疯狂的想法。在宇宙的最早时期,那时候的宇宙可是相当疯狂,各种疯狂和奇异的物理现象都在相互作用(谢天谢地,现在这些疯狂的作用已经变成了宇宙的记忆了)。所以在那段时期宇宙也许发生了什么事,但也许当时的宇宙运行得很好,每个粒子都遇到了一个相等且相反的反粒子。

然后突然出现了一个转变,出现了一个不平衡,出现了一个产生物质多于反物质的奇怪过程。大多数粒子对会被湮灭,但一些正常的粒子会保留下来,这些正常的粒子不需要太多:十亿分之一的粒子就足形成我们今天看到的所有恒星和星系。

通过弱点的力量

要造成这种不平衡的确需要非常特殊的条件。我们的宇宙是由粒子和力如何相互作用和表现的规则所控制的,正正是这些规则为所有奇妙的互动奠定了框架,构成了丰富多彩的日常生活。

但有时规则是需要被打破的,就像早期的宇宙一样。毕竟,正是这些相同的规则表明物质和反物质之间的差异本来就不应该出现。

但无论是什么样的反应、什么样的过程最终导致了普通物质的“胜利”,可以肯定的是这些过程一定很奇怪。首先,它不仅要产生过量的普通物质,还要产生过量的电荷来抵消它。否则,因为在整个过程中总电荷必须保持不变,普通物质会反物质完美地平衡。

此外,这个过程必须在一个非常明显的界定范围内发生,即当早期宇宙从一种状态迅速转换到另一种状态的时候。只有在这个时候物理学才会允许这种违反物理规则的过程发生;否则,一个处于平衡状态的宇宙最终只会平衡所有的相互作用。

在所有已知的物理学中,有没有什么东西可以使反物质消失?嗯,也许吧。在涉及弱核力的罕见粒子相互作用中却确实隐藏着一些线索,但对这些相互作用我们理解的还不多,尤其是它们在早期宇宙中发生的方式,但即使是根据我们对其有利物质能力的最佳猜测,这些相互作用的威力也远远低于能够解释我们宇宙目前状况所需要的最低限度。

物质与反物质不对称的起源是物理学中的一个突出问题。这个问题突破了现有知识的边界,并且将我们对宇宙的理解推进到了宇宙最早期的一些时刻,可以说,这真的是一个非常重要的问题。