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    宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

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      【博科园-科学科普-留言评论有惊喜哈】物质为构成宇宙间一切物体的实物和场,物理学上物质有六种存在形态:固态、液态、气态、等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态;物质不依赖于意识而又能为人的意识所反映的客观实在,界是由物质构成的,物质通常是有结构的,但是物质结构在层次上是否具有基本单元,即德谟克利特式的“原子”是否存在?这是一个长期反复争论而又常新的课题。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      在宇宙的尺度上从我们室女座本超星系团星际介质到单个星系,星系团之间的细丝和巨大的宇宙网;所观察到的一切都是由正常物质而不是反物质构成的,这是一个无法解释的谜团。 图片版权:NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

      当你看着浩瀚宇宙中的行星、恒星、星系和宇宙中其他东西时,一个明显的问题急需解释:为什么宇宙中会有东西而不是什么都没有?当你考虑到宇宙的物理定律时,这个问题变得更加棘手。宇宙似乎在物质和反物质之间是完全对称的。然而当观察宇宙中的情况时,所看到的所有恒星和星系都是100%的物质,反物质几乎不存在。显而易见,我们是真实存在的,和看到的星星和星系一样;所以一定有什么东西创造了比反物质更多的物质,使我们了解宇宙成为可能,但这是怎样出现的呢?这是宇宙中最大的奥秘之一!

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      当前宇宙中的物质和能量含量(左)和早期宇宙中的物质和能量含量(右)。暗能量、暗物质的存在和正常物质在反物质上的普遍存在。这是非常微小的,因为它在所显示的时间内没有贡献。图片版权:NASA, modified by Wikimedia Commons user,modified further by E. Siegel

      想想两个关于宇宙的事实又是多么的矛盾:

      1、我们所观察到的粒子之间的每一次相互作用,在所有能量中从来没有创造或摧毁一个物质粒子,也没有创造或摧毁等量的反物质粒子。

      2、当我们观察宇宙时,所有的恒星、星系、气体云、星团、超星系团和最大规模的结构中,一切似乎都是由物质而不是反物质构成的。

      这似乎是不可能的。一方面没有已知的方法赋予粒子和粒子在宇宙中的相互作用来制造比反物质更重要的物质。另一方面所看到的一切都是由物质而不是反物质构成的。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      物质/反物质生产纯粹的能量(左)与物质/反物质湮灭回到纯能量(右)是一个完全可逆反应。这个创造和湮灭的过程遵循E = MC 2。这个公式是创造和毁灭物质或反物质的唯一已知方式。图片版权:Dmitri Pogosyan / University of Alberta

      无论何时何地反物质与物质相遇都会有一种奇妙的能量爆发,因为粒子与反粒子湮灭。实际上在某些地方能观察到这种湮灭,仅仅只在超能量源附近产生等量的物质和反物质,就像在巨大的黑洞周围一样。当反物质在宇宙中运行时,它会产生特定频率的伽马射线就能探测到。星际间和星系间的介质中充满了物质,而完全缺乏这些伽马射线是表明没有大量的反物质粒子在四处飞行的一个强烈的信号,因为物质/反物质的特征会显现出来。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      无论是在星系团、星系、还是太阳系或临近恒星系,对宇宙中一小部分的反物质有着强大的限制,宇宙中的一切都是由物质支配的。图片版权:Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

      在银河系的星际介质中平均寿命大约是300年,这比银河系的年龄要小得多,这个限制告诉我们在银河系内观测到与物质混合在一起的反物质数量最多是10万亿分之一,在更大的尺度上例如星系和星系团,限制条件不那么严格,但仍然很强。在距离地球30亿光年远的地方观测到了极少的x射线和伽玛射线也就是所期待的物质与反物质的湮灭。即使在宇宙的大尺度上,宇宙中99.999% +的存在绝对是物质而不是反物质。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      反射星云IC 2631由MPG/ESO 2.2-m望远镜成像。无论是在银河系内还是在星系之间,都没有证据表明反物质伽马射线的存在。如果有重要的小块区域、恒星或星系是由反物质构成的,那么伽马射线的特征就必然存在。图片版权:ESO

      尽管不完全确定,但必须在宇宙的过去创造更多的物质,而不是反物质。让人困惑的是物质和反物质之间的对称性,就粒子物理学来举例:

      1、每创造一个夸克,也创造一个反夸克

      2、每一次夸克被破坏,反夸克也被摧毁

      3、每一次创造或毁灭一个轻子,也创造或毁了灭一个来自同一个轻子家族的反轻子。

      每当一个夸克或轻子经历一个相互作用、碰撞或衰变时,在反应结束时夸克和轻子的总净数量(夸克减去反夸克,轻子减去反轻子)在最后是相同的,就和开始时一样。在宇宙中制造更多物质的唯一方法,就是在等量的情况下制造出更多的反物质。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      标准模型的粒子和反粒子服从各种守恒定律,但有一定的粒子/反粒子的行为有细微的差别,这可能暗示了重子形成的起源。图片版权:E. Siegel / Beyond The Galaxy

      这是可能的,唯一的问题是它是如何发生的?在20世纪60年代末物理学家Andrei Sakhar确认了重子生成的三个必要的条件,也是创造更多的重子(质子和中子)而不是反重子的三个条件:

      1、宇宙必须是一个失去平衡的系统

      2、它必须表现出C和cp的违反

      3、必须有重子违反相互作用

      第一是因为一个宇宙的膨胀,冷却的宇宙中有不稳定的粒子(和/或反粒子));根据定义,宇宙是不平衡的。第二因为“CP”对称(用反粒子代替粒子)和“CP”对称(如镜面反射的反粒子代替粒子)在弱相互作用中都被破坏了。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      一个正常的介子以逆时针方向旋转,然后随着电子向北极方向发射而衰变。CP对称性代替粒子和反粒子,这意味应该在北级向发射正电子的反介子逆时针旋转对北极点造成衰变。同样CP对称翻转了如我们在镜子里看到的东西。如果粒子和反粒子在C、P或CP对称下的行为不完全相同,那么对称性就会被破坏。到目前为止只有弱相互作用违反了三者中的一个。图片版权:E. Siegel / Beyond The Galaxy

      这就留下了如何违反重子数的问题,在粒子物理的标准模型中尽管观察到重子数的守恒,但并没有一个明确的守恒定律,或者是轻子数(在这里轻子是一个粒子,就像一个电子或一个中微子)。相反这只是重子和轻子的差异,B – L是守恒的。所以在适当的情况下不仅可以制造额外的质子,也可以制造出所需要的电子。然而这些情况仍然是个谜,在宇宙的早期阶段很期待有期待等量的物质和反物质的存在,且速度和能量极高。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      在非常年轻的宇宙中所达到的高温下,不仅粒子和光子会自发地产生,给予足够的能量,还会产生出反粒子和不稳定的粒子,从而形成一个原始的粒子和反粒子群体。图片版权:Brookhaven National Laboratory

      当宇宙膨胀和冷却时,不稳定的粒子一旦大量产生就会衰变。如果有合适的条件,物质就会超过反物质(即使最初没有)。关于物质超过反物质的问题有三种可能出现的情况:

      1、在电弱尺度下的新物理可以极大地提高宇宙中C-P和CP的含量,从而导致物质与反物质的不对称。Sphaleron的相互作用分别干扰了B和L(但保留B – L)可以产生合适数量的重子和轻子。这可能发生在没有超对称或超对称的情况下取决于机制。

      2、在高能新中微子物理中,早期可以形成一个基本的轻子不对称——可纺性,保存B – L的sphalerons将利用轻子不对称产生重子不对称。

      3、在重子生成的尺度上发现了新的物理(和新粒子)在大统一尺度的存在,电弱力与强力结合在一起。

      这些场景都有一些共同的元素,让我们来看看最后一个情况,看看会发生什么?

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      除了宇宙中的其它粒子,如果大统一理论的概念也适用于我们的宇宙,会有额外的超重型玻色子,X和Y粒子,连同它们的反粒子产生。图片版权:E. Siegel / Beyond The Galaxy

      如果大统一是正确的,那么就应该有叫做X和Y的超重粒子。它们都有类似重子和类似轻子的性质,也应该有它们反物质的对应物——反x和反y,与B – L数相反,相反的电荷,但质量和寿命相同。这些粒子-反粒子可以在足够高的能量下大量产生后慢慢衰变。所以宇宙中可以充满它们然后衰变。然而如果违反C-P和CP对称,那么粒子和反粒子(X/Y vs,反X/反Y)的衰变之间可能存在细微的差别。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      如果我们允许X和Y粒子衰变为夸克和轻子组合,那么它们的反粒子会衰变为各自的反粒子组合。但是,如果CP被破坏了,X和Y粒子的衰变途径——或者说粒子衰变的百分比——与反X和反Y粒子相比可能与X和Y粒子不同,这导致反重子,轻子和反轻子的过度净产量。图片版权:E. Siegel / Beyond The Galaxy

      如果X粒子有两条路径:衰变为两个夸克或一个反夸克和一个正电子,那么反x粒子必须有两个对应的路径:两个反夸克或一个夸克和一个电子。注意,在这两种情况下,X都是B – L的三分之二,而反X是负三分之二。Y/反Y的粒子很相似。但有一个重要的区别就是允许C -和cp破坏:相比于衰变为两个反上夸克X可能更有可能衰变为两个反夸克,相比于衰变成一个反下夸克和一个正电子反X可能更容易衰变成一个夸克和一个电子。

      如果有足够的X/反X和Y/反Y对,并且它们以这种方式衰减,可以很容易地(反轻子和轻子)超过反重子和重子是以前没有的。

      宇宙最大难题:物质是怎样从无到有?

      如果粒子按照上面描述的机制衰变,在所有不稳定的超重粒子衰变后剩下的夸克会超过反夸克(和轻子)。当多余的粒子-反粒子湮灭(与虚线相匹配),剩余的夸克会组成质子和中子,分别向上和向下的组合,电子则与质子数相匹配。图片版权:E. Siegel / Beyond The Galaxy

      换句话说就是可以从一个完全对称的宇宙开始,这个宇宙遵循所有已知的物理定律,并只会在相等和相对中产生物质和反物质,最后在反物质上产生过量的物质。有多种成功的途径,但大自然很可能只需要其中一个来给我们的宇宙。

      宇宙万物的存在和宇宙由是物质构成的事实是无可争辩的。为什么我们的宇宙包含了某种东西(物质)而不是什么都没有(从物质和反物质的等量混合)?这是一个有解的问题。在这个世纪精密的电弱测试、对撞机技术和实验探测粒子物理超越标准模型的进展可能揭示它是如何发生的。当它发生的时所有存在中最大的谜团之一最终会被揭示的。


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

      • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Forbes science

      • 编译:公子世无双

      • 审校:博科园

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    • Lv.29心宿二
      VIP6博科园 VIP
      拉格朗日
      [s-2]

      浩瀚天宇,总能让我的思绪去更远的地方~

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