1. 首頁 > 生活 > >

宇宙的物質是有限的嗎 世界為什么不是空無一物

小知識



文章插圖
宇宙的物質是有限的嗎 世界為什么不是空無一物

文章插圖
你想過沒有，為什么宇宙中會有物質，而不是什么都沒有？為什么會有你、有我，又有她？這個問題是當今宇宙學，乃至整個物理學最大的一個難題 。
那我們是啥？我們是正物質，因為我們是由質子、中子和電子組成的，所以問題是宇宙中為什么會有，質子、中子和電子？
那么產生這個問題的原因是，重子數守恒和輕子數守恒，這里我解釋一下，質子和中子是重子，電子是輕子，因為一個重，一個輕，所以叫重子和輕子 。
重子數守恒和輕子數守恒說的是，宇宙中重子的數量和輕子的數量保持恒定，不會發生變化 。
【宇宙的物質是有限的嗎 世界為什么不是空無一物】你看，日常生活中的化學反應只會涉及到化學鍵的斷裂和結合，就算是核反應也只是原子核的分裂與重組，并不會影響到重子和輕子，也不會讓他們的數量發生改變 。
其次就是β衰變，中子在經過βˉ衰變以后，會變成質子、電子和反電子中微子，從這個反應中可以看出，重子數依舊沒有變化，只不過是一個中子變成了質子，雖然生成了電子，但又生成了一個反電子中微子，這也叫輕子，但它的輕子數和電子的輕子數相反，所以相互抵消，輕子數依舊沒有變化 。質子到中子的β＋衰變也一樣，變來變去并不會改變重子數和輕子數 。
所以就我們目前所知，在當今的低能宇宙中，我們無法改變重子和輕子的數量，那有些同學就要問了，那我拿一個反質子或者一個反電子，跟質子和電子一湮滅，這不就破壞他們的數量守恒了嗎？
對！確實可以！但問題是，你去哪找反質子和反電子？要知道，我們所有的實驗和觀測都表明，當你想要創造一個反物質的時候，同時會創造出一個與之對應的正物質，當你想要毀滅一個正物質的時候，必須要毀滅一個與之對應的反物質 。
就拿電子來說，狄拉克的方程預示著電子具有負能量，也就是在原子的基態之下，還有負無窮個能級，這些能級都被具有負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能級，這是因為泡利不相容原理，因此真空在我們看來就是一個負能量的海洋，海平面就是能量的0點，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點以下的能級中還有電子，那這些電子就應該能被激發出來，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，比如說用一個伽馬光撞擊原子核，當這個伽馬光子的能量等于2mc^2，其中m是電子的質量，我們就能把真空中的電子給他激發出來，那么失去電子的真空就會留下一個空穴，這個空穴會表現出正電荷，這就是我們所說的正電子 。
所以說，我們只要創造一個正粒子，就會在真空中留下一個與之對應的空穴，這個空穴就是它的反粒子，正反粒子很快就會湮滅掉，然后釋放出剛才激發的能量，說白了就是這個激發出來的正粒子很快就會回到空穴中，也就是躍遷到了更低的能態，然后就釋放出能量了 。
所以我們不可能改變現今宇宙中的重子數和輕子數，因此我們認為在現今的這個低能宇宙中重子數和輕子數是守恒的 。
并且從高能狀態中，我們也能夠看出來重子數和輕子數是守恒的，你看，只要能量激發出一個正物質，就會跑出來一個反物質，它倆相互抵消，重子數和輕子數不增不減 。
如果把以上的知識用到早期的宇宙中，你就會發現，宇宙誕生的時候，其中的能量應該是創造了等量的物質和反物質，以保證宇宙開始的時候，重子數和輕子數是守恒的，一直保持為0 。
然后，隨著宇宙的膨脹，溫度的降低，正反物質創生的過程停止，已經產生的物質和反物質就會相互湮滅掉，變為光子 。
但是還有一些來不及湮滅的正反粒子，會被宇宙的膨脹拉到很遠的距離，保留下來，所以最終的結果是，我們宇宙中只會存在少量的質子、反質子，電子，正電子，中微子和反中微子 。而會留下大量的光子，那么光子與物質粒子的比例大約為10?20：1 。這樣的宇宙不會誕生任何物質結構 。
但真實的情況是，我們的宇宙中留下了大量的正物質，光子和物質的比大約為10?9：1，物質的數量比上面的值高了十幾個數量級 。這說明宇宙從一開始就破壞了守恒規律 。
在很長的一段時間內，我們覺得這不可能，所以就一廂情愿認為在宇宙中，應該有反物質組成的恒星、星系、星系團，他們的數量跟我們的正物質的數量相等，但是我們并沒有發現反物質的痕跡 。
所以現在認為，正反物質在誕生以后，雖然一開始是等量的，但是在宇宙降溫的過程中發生了破壞重子數守恒和輕子數守恒的規律，導致了正反物質的數量發生了不對稱 。
那么正物質數量總體上就比反物質多了10億分之一，那么正反物質湮滅以后，多下來的正物質就保留到了今天，形成我們看到所有的物質結構，當然也包括你和我，還有她 。
由于反物質都消失了，而且在今天的低能狀態下，我們沒有發現可以導致正反物質不對稱的物理現象，所以今天的重子數和輕子數也是守恒的 。
但是多出來的正物質又表明，曾經的宇宙中出現過不守恒的現象，所以我們就必須解釋，宇宙在降溫的過程發生了什么？
很顯然，這是一個世紀大難題，不過不要緊，我們還是對這個問題做出了一些可能的解釋，1967年的時候，蘇聯科學家薩哈羅夫就提出了三個條件，說宇宙只要滿足這三個條件，就能造成正反物質的數量不對稱 。
第一，宇宙在膨脹的過程中，必須偏離熱平衡狀態 。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，宇宙中應該存在破壞重子數守恒的相互作用 。
這三個條件被稱為薩哈羅夫條件，他們必須同時發生，才能解釋物質為什么比反物質多了這么多，缺少一個都不行 。
好，下面我解釋下這三個條件，第一個破壞熱平衡狀態，對宇宙來說非常的簡單，因為在早期的宇宙中膨脹速度非?？?，這就會導致一個地方的物質粒子，還來不及和另外一個地方的物質粒子交換信息，就被拉到了很遠的距離，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非熱平衡狀態 。那么溫度不一樣，就有可能發生導致正反物質不對稱的物理過程 。
第二個條件，C破缺和CP破缺 。在我們宇宙中有三個基本的對稱性，C對稱，也就電荷共軛對稱，說的是，一個粒子和它的反粒子，有相同的物理特性，比如正電子和電子，它倆的質量和自旋是一樣，區別是電荷和輕子數相反 。
這意味著，反粒子也可以構成一個反物質世界，在反物質世界中的物理規律跟正物質世界是完全一樣的，你無法把他們區分開來，這就叫C對稱 。
比如，那個狄拉克之海，人家反物質世界的人會認為，我們處在海平面以下，他們給真空中施加能量，會激發出正電子，然后形成一個空穴，這個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，說的是一個粒子的鏡像，和它有著相同的物理規律，只不過是自旋相反，其余的像什么質量、電荷、輕子數、重子數都是一樣的 。
說白了就是鏡中的世界，和我們真實的世界，無法區分，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候，你看到鏡中的你并沒有覺得有奇怪的地方，這就體現了宇稱守恒 。
T對稱，也就是時間反演對稱，說的是，一個粒子不管是時間正流，還是倒流，所經歷的物理規律不會發生改變 。
再說的簡單一點就是，物理規律不會隨著時間的改變而發生改變，我們今天總結的物理規律，在過去和未來的宇宙中都適用 。
除了以上單獨的對稱以外，還有一個復合對稱，也就是CP對稱，說的是，一個粒子的反粒子的鏡像粒子，和它有相同的物理特性，我們就說這個粒子滿足CP對稱 。
那么什么是C破缺和CP破缺呢？我舉個粒子，假如現在有一個介子，它自旋向上，從上往下看假如它是逆時針旋轉的，那么它的反粒子從上往下看，也應該是逆時針旋轉的，如果這個介子現在發生衰變，從它的上方射出了一個電子，那么只要它的反粒子也跟它保持一樣的衰變規律，衰變的時候也是從上方射出一個電子，我們就說它倆滿足C對稱 。
如果它的反粒子衰變的時候，有時會從上方射出電子，有時會從下方射出電子，我們就認為它倆滿足的衰變規律不一樣，這就叫C破缺 。
那么CP破缺也是一樣的道理，假如這個介子的反粒子的鏡像，衰變的時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，出現一次往下射出電子的現象，我們就說它倆CP破缺了 。
總的來說，C破缺和CP破缺，會導致正反粒子的弱相互作用滿足不同的規律，因此他們就有可能在宇宙降溫的過程中發生不同的衰變，導致正反物質的數量不對稱 。
目前我們已經發現了三種類型的介子出現了C破缺和CP破缺，介子其實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 。
但是這遠遠解釋不了，正反物質不對稱的數量，所以我們在未來還需要發現更多的粒子在經歷弱相互作用作用的時候，違反C和CP對稱 。
最后說下第三個條件，破壞重子數守恒的相互作用，就像前文說的，我們目前沒有發現可以破壞重子數守恒的現象，所以這就成為了正反物質不對稱最大的不確定因素了 。
所以根據目前我們所掌握的知識，確實可以通過弱相互作用的C破缺和CP破缺造成正反物質的不對稱，但是解釋不了它倆之間的數量差異，說白了就是還需要更多的破缺 。
這也預示著，我們現在所知的標準模型中的粒子并不是宇宙的全部，比如說在電弱力的標度下，也就是早期宇宙的能量達到一定的程度，電磁力就會和弱力合二為一，變為電弱力，此時的宇宙中只有三種基本作用力，電弱力、強力、萬有引力 。在這種情況下可能會出現新的粒子，當宇宙降溫的時候，電弱力變為電磁力和弱力的時候，這種粒子可能就導致了重子數量的破缺 。
還有目前大統一理論認為，在電弱力之前的宇宙，能量更高，這時的強力也會加入到電弱力當中，此時的宇宙只有兩種力，大統一力和引力 。
我們認為在當時存在一種大質量粒子，是它的衰變直接就導致了正反夸克的不對稱，進而造成了重子數的破缺 。
還有一個理論是從中微子入手的，因為我們發現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動方向，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，因為他們的衰變導致了輕子數的不對稱，而輕子數的不對稱，進而就引發了重子數的不對稱 。
最后還有一種猜測，也就是由弦論所做出的超對稱性的預言，它認為在早期的宇宙中，標準模型中所以的粒子，都存在一個超對稱伙伴粒子，這個超對稱伙伴粒子的自旋和它相差1/2，但質量相等，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，但是這個光子的質量和電子是一樣的 。所以它不穩定要衰變 。那么超對稱理論就認為，證實這些粒子的衰變導致了正反物質的不對稱，
以上說的這幾種過程都被稱為重子生成，是當今物理學的前言，也是人類知識的邊界 。當然也都是猜測，未來還需要更多的實驗，去發現和驗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 。