反物质问题与魔镜

现在我们要追问在宇宙中反物质为什么这么少呢？这一点与很多科学家的直觉正好相反。

我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物——包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，携带相反电荷。按对称的观点，在宇宙诞生时，“大爆炸”应该产生相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，早期宇宙正反物质湮灭反应后，有少量物质幸存下来，形成我们现在生活的宇宙。而其孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢？

我们试看，1933年12月12日，狄拉克在荣获诺贝尔奖金时的演讲是怎么样说的吧：

“如果我们采纳迄今在大自然的基本规律中所揭示出来的正负电荷之间完全对称的观点，那么，我们应该看到下述情况纯属偶然：地球，也可能在太阳系中，电子和正质子在数量上占优势，十分可能。对某些星球来说，情况并非如此，它们主要由正电子及负质子构成。事实上，可能各种星球各占一半。”就是说，科学家们的一个普遍朴素理念，在宇宙中正反物质总量应该相等。但是现实宇宙是由物质构成的，所存反物质极少。

用科学术语来说，在大自然存在的物质和反物质总量的严重不对称。现在我们无论是用人工制备方法，还是在自然中寻找反物质，目的之一就是如何解释这种严重的不对称。1964年，科学家们发现某些过程在非常罕有的情况下，CP对称性（宇称与电荷共扼联合对称）也会遭到破坏。科学家们惊奇地获悉如果我们的宇宙具有CP对称性破缺，则可以解释宇宙中物质与反物质比例的不对称问题。CP对称性破缺一直是各个大高能实验室研究的重点，1999年3月1日，美国费米国家实验室宣布，他们测得的CP破坏参数为10﹣3～10﹣4，与欧洲同仁的一致。这是CP研究的重大进展，至少我们可以排除超弱力的存在。这样一来，CP破坏到底如何产生，谜底至少减少一点不确定性。我们前面讲过，CP守恒或者破坏与中微子密切相关，如果中微子静止质量为0，则在CP镜面前，物质世界与反物质世界的运动规律应该相同，这就是CP守恒；如果静止质量不为0（实验证实确实如此），CP对称性会发生破缺。CP对称性破缺是宇宙中物质与反物质分布高度不对称的原因。

早在1967年，前苏联的氢弹之父萨哈洛夫就指出，从重子—反重子对称的宇宙，演化为重子数不（守恒）对称的宇宙所需的三个因素是：

（1）存在改变重子数的作用。

（2）电荷共轭C与宇称P的组合CP都不守恒。

（3）存在对热平衡的偏离。现代宇宙学的动力学机制大多采用简单的大统一理论，已预言重子数不守恒过程如质子衰变（质子会衰变为一个正电子加上一个介子），满足条件（1）不成问题。

至于条件（2），早在1964年，克朗宁和费奇在长寿命的K介质子的衰变过程中，发现CP和C不守恒，所以条件（2）是可能满足的。这个发现，在33年后，即1987年获得诺贝尔物理学奖。

至于条件（3），是超重规范粒子X（质量为1014吉电子）和自由衰变所必需的。这里的超重规范粒子是在粒子物理中大统一理论所预言的。实际上只要X的衰变速率与宇宙膨胀的速率相等，温度低于1018KK就可以了。这个条件当然也可以满足。

在爆胀宇宙的框架中，确实给出物质与反物质不对称一个合理、自然的定性解释。但是要做出定量的描述，得到10-9这个数据，目前理论的结果尚不够明确、肯定。斯拉姆在1983年对这个问题进行过细致分析。无论如何，反物质问题解决，已出现曙光。

按照爆胀宇宙论在大爆炸后在10﹣32秒，温度重新加热到10-28K。从10-32到10﹣4秒，X粒子衰变为质量较小的粒子，从而造成宇宙中物质（重子）略多于反物质（反重子）的所谓不对称性。并且在“原则上”，可以定量给出不对称性约为10-9。

这就是说，在每10亿对重子与反重子对中，大概只剩下一个没有配对“反重子”伙伴的重子余剩出来。

自此以后，这种轻微的不对称性就被永锁在膨胀的宇宙中。但配对的重子和反重子，在宇宙温度降到1018K左右，将成对湮灭，只有过剩的重子留存下来。我们的宇宙，所有的星系、星系团、星系际物质，乃至于人类的摇篮——地球，我们人类本身，都是由这点点不对称性所产生的。

更加具体地说，粗略的估算表明，目前宇宙中，每立方米的空间平均有一个重子，反重子数目近似认为是零。宇宙现在的尺度约为1028厘米的数量级。就数量级而言，宇宙中现有的重子数为

（1028）3×10-6×1＝1078个。

按照标准模型，追溯到大爆炸后10-35～10﹣36秒，宇宙的线度约为1厘米。大体可以认为，当时宇宙中的重子与反重子数目的差就等于现在宇宙中重子的总数。粗略估计，在t＝10﹣35秒，粒子总数为1087个。换言之，当时的反粒子数为（1078～1088）个。应该说，在这个时候重子数与反重子数相差不大。两者的差别或者说不对称性，大致为1078/187，即为10﹣9。

这样看来，在极早期宇宙中，重子不对称的程度很小，不过10﹣9而已。10亿个重子，就有（109－1）个反重子伴随。尽管如此，这10﹣9的不对称，仍然是大爆炸学说头上的巨大问号。它从何而来？

在宇宙年龄10﹣3秒，宇宙温度下降到1018K，重子与反重子之间湮灭过程便急剧进行。绝大部分的重子与反重子，都“湮没得”无影无踪。重子中，只有10亿分之一是“净多余”的，由于找不到配对的反重子发生“火拼”，它们“大难不死”，劫后余生，一直保存到今天。

不管多么令人难以置信，我们宇宙所有的天体：恒星、星云超新星、类星体等，几乎全部都是由这些劫后余生的幸运构成的。包括我们这个美好的蔚蓝色的地球上所有的一切：高山大泽、树鸟花卉，乃至人类本身。

丛现代科学来看，宇宙中反物质分布稀少，是早期宇宙物质与反物质分布的极小的不对称演化的结果。这种早期的极小的不对称是自然界CP对称性破缺而产生的，这种CP破缺与中微子关系要切。我们已经说过，如果中微子具有静止质量，则CP对称性一定有破缺。