當我們環顧宇宙:
在行星和恆星上，
在星系和星系團中，
在這些密集結構之間的空間裡存在的氣體、塵埃和等離子體中，
我們發現到處都有相同的跡象。我們看到原子吸收和發射線，我們看到物質和其他形式的物質相互作用，我們看到恆星形成和恆星死亡、碰撞、X射線等等。
圖片來源：美國宇航局和太空望遠鏡科學研究所，哈勃官網
但我們沒有看到的同樣重要:我們沒有看到任何物質與反物質在最大尺度上湮滅的跡象，我們沒有看到任何證據去表明某些恆星、星系或行星是由反物質構成的。如果某些反物質部分與物質部分發生碰撞(並湮滅)，我們就看不到我們期望的典型伽馬射線。相反，它是物質，到處都是物質，和我們看到的任何地方一樣豐富。
圖片來源：NGC 5426-27（Arp 271）的雙子南座影像，由雙子座多目標光譜儀成像
這對我們來說不是問題，如果沒有這樣一個討厭的事實：儘管E=mc2 告訴我們——你可以用純能量產生質量——而今天我們所知的宇宙中的所有反應和規律只能透過創造等量的物質和反物質來產生質量。
那麼，如果自然法則在物質和反物質之間是完全對稱的，宇宙由大量物質構成，而實際上沒有反物質，我們是如何走到今天這一步的呢?有兩種選擇:要麼宇宙生來就有比反物質更多的物質，要麼在宇宙很熱很稠密的早期就發生了一些事情，在最初不存在物質/反物質不對稱的地方，創造出一種物質/反物質不對稱。雖然我們不能排除第一個選項，但如果不從字面上重新創造宇宙，我們就不能準確地測試出那個選項。如果第二個是正確的——如果我們在一開始不存在物質/反物質不對稱的地方製造出這種不對稱——我們就有很大的希望弄清楚這是如何發生的。
圖片來源：凱倫·特拉穆拉，UHIfA/NASA
邁向這一目標的第一步發生在1968年，當時蘇聯物理學家安德烈·薩哈羅夫(Andrei Sakharov)意識到，如果宇宙只滿足三個條件，那麼物質/反物質的不對稱性將不可避免。三種情況如下:
宇宙一定是不平衡的。
宇宙必須打破C對稱和CP對稱。
宇宙中必然存在違反重子數的相互作用。
圖片來源：E. Siegel
第一種情況很簡單:宇宙可能是終極的不平衡狀態!當它膨脹時，它會冷卻下來，當宇宙變得不那麼熱和稠密時，自由、容易和穩定地發生的反應和相互作用——就像透過光子的碰撞形成物質/反物質對一樣——會突然停止。隨著宇宙繼續膨脹和冷卻，它離先前的平衡狀態就越來越遠。
第二種情況，儘管你有所保留，也很簡單。C對稱性表明如果你用反粒子代替粒子，它們應該做同樣的事情。如果你有一個順時針旋轉的粒子，反粒子也應該順時針旋轉。如果你有一個粒子以某種方式衰變，反粒子也應該以同樣的方式衰變。但是如果違背了C，粒子和反粒子的行為就會相反!實際上，在所有的弱相互作用(包括放射性衰變)中，都觀察到C被破壞。
圖片來源：E. Siegel
CP是C對稱和P對稱的組合，C對稱是用反粒子代替粒子，P對稱是反射鏡子裡的任何東西。你的左手和右手呈現出P型對稱:如果你豎起大拇指並彎曲手指，你的左手和右手就會互相反射。在粒子物理學中，如果你有一個粒子順時針旋轉，然後向上衰變，它的反粒子應該逆時針旋轉，如果CP守恆，它100%的時間都在向上衰變。否則，就違反了CP。
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
在自然界中，我們觀察到含有重夸克的粒子——奇怪、迷人且沉在底部——它們衰變時違反CP。但是我們從來沒有觀察到第三薩哈羅夫條件:違反重子數(B)。嚴格地說,標準模型只是受命保護B-L,或重子數(B) -輕子數(L)。在許多標準模型的擴充套件中,比如新電弱物理學,新高能輕子物理學,超對稱或大統一理論中,大量的重子違反是可能的。
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
為了向你們展示這在早期宇宙可能是如何進行的,讓我們考慮一下,在大統一理論中,有兩種新型別的粒子:X,負責+4/3和B-L的數量+2/3(反X，負責-4/3和B-L的-2/3),和Y,負責-1/3和B-L數量的-2/3(和反Y，負責+ 1/3和B–L數量+ 2/3)。在早期的高溫宇宙中，只要宇宙有足夠的能量產生這些粒子，它們的數量就會相等。它們不是周圍唯一的東西，但數量很多。
隨著宇宙膨脹和冷卻(這是不平衡的部分)，我們停止製造它們。他們中的一些會找到另一個並消滅，而另一些則會消失，它們如何衰變是有規則的:
粒子(X, Y)和反粒子(反X，反Y)的總衰變時間必須相同。
粒子所能走的任何一條衰變路徑(X或Y)都必須對應反粒子(反X或反Y)所走的「反」路徑。
但是當CP被破壞時，會發生一件特殊的事情:
粒子和反粒子之間的個別衰變路徑不必以相同的佔比出現。
換句話說，如果一個粒子可以以兩種不同的方式衰變，並且每種衰變發生的機率是固定的，那麼它的反粒子也必須以同樣的方式衰變，但每種衰變發生的機率可以是不同的!
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
請看上面的圖，我們可以讓X用50%的時間衰變為兩個上夸克，另外50%的時間衰變為一個反下夸克和一個正電子,但反X用只有49%的時間衰變為兩個反上夸克,另外51%的時間衰變成一個下夸克和一個電子。這意味著，我們每創造50對X和反X對，就會得到151個夸克，51個輕子，148個反夸克和50個反輕子。夸克-反夸克對和輕子-反輕子對會湮滅，剩下三個夸克和一個輕子，或者相當於一個額外的重子(一個質子或中子)和一個額外的輕子(一個電子或一箇中微子)。這條路徑將讓我們在反物質上創造一個顯著的不對稱!
我們可以對Y粒子和反Y粒子進行類似的分析，最終得到一個物質相對於反物質不對稱的宇宙，而反物質一開始並不存在。
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
儘管「電弱尺度下的新物理學」或「超對稱性理論」的解釋是正確的，LHC（大型強子對撞機）可能會在2016年以有史以來最高的能量繼續執行的時候找到證據，但它還沒有確定這在我們的宇宙中是如何發生的。對於那些喜歡播客的人，我有一個更長的，更詳細的故事版本給你們聽。
這正是我們所知的前沿，也是我打賭理論物理學中下一個最大的未解決的問題。如果一切順利，我們很快就能解釋宇宙中物質多於反物質的原因。
參考資料
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3. Tycho- Ethan Siegel
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當我們環顧宇宙:
在行星和恆星上，
在星系和星系團中，
在這些密集結構之間的空間裡存在的氣體、塵埃和等離子體中，
我們發現到處都有相同的跡象。我們看到原子吸收和發射線，我們看到物質和其他形式的物質相互作用，我們看到恆星形成和恆星死亡、碰撞、X射線等等。
圖片來源：美國宇航局和太空望遠鏡科學研究所，哈勃官網
但我們沒有看到的同樣重要:我們沒有看到任何物質與反物質在最大尺度上湮滅的跡象，我們沒有看到任何證據去表明某些恆星、星系或行星是由反物質構成的。如果某些反物質部分與物質部分發生碰撞(並湮滅)，我們就看不到我們期望的典型伽馬射線。相反，它是物質，到處都是物質，和我們看到的任何地方一樣豐富。
圖片來源：NGC 5426-27（Arp 271）的雙子南座影像，由雙子座多目標光譜儀成像
這對我們來說不是問題，如果沒有這樣一個討厭的事實：儘管E=mc2 告訴我們——你可以用純能量產生質量——而今天我們所知的宇宙中的所有反應和規律只能透過創造等量的物質和反物質來產生質量。
那麼，如果自然法則在物質和反物質之間是完全對稱的，宇宙由大量物質構成，而實際上沒有反物質，我們是如何走到今天這一步的呢?有兩種選擇:要麼宇宙生來就有比反物質更多的物質，要麼在宇宙很熱很稠密的早期就發生了一些事情，在最初不存在物質/反物質不對稱的地方，創造出一種物質/反物質不對稱。雖然我們不能排除第一個選項，但如果不從字面上重新創造宇宙，我們就不能準確地測試出那個選項。如果第二個是正確的——如果我們在一開始不存在物質/反物質不對稱的地方製造出這種不對稱——我們就有很大的希望弄清楚這是如何發生的。
圖片來源：凱倫·特拉穆拉，UHIfA/NASA
邁向這一目標的第一步發生在1968年，當時蘇聯物理學家安德烈·薩哈羅夫(Andrei Sakharov)意識到，如果宇宙只滿足三個條件，那麼物質/反物質的不對稱性將不可避免。三種情況如下:
宇宙一定是不平衡的。
宇宙必須打破C對稱和CP對稱。
宇宙中必然存在違反重子數的相互作用。
圖片來源：E. Siegel
第一種情況很簡單:宇宙可能是終極的不平衡狀態!當它膨脹時，它會冷卻下來，當宇宙變得不那麼熱和稠密時，自由、容易和穩定地發生的反應和相互作用——就像透過光子的碰撞形成物質/反物質對一樣——會突然停止。隨著宇宙繼續膨脹和冷卻，它離先前的平衡狀態就越來越遠。
第二種情況，儘管你有所保留，也很簡單。C對稱性表明如果你用反粒子代替粒子，它們應該做同樣的事情。如果你有一個順時針旋轉的粒子，反粒子也應該順時針旋轉。如果你有一個粒子以某種方式衰變，反粒子也應該以同樣的方式衰變。但是如果違背了C，粒子和反粒子的行為就會相反!實際上，在所有的弱相互作用(包括放射性衰變)中，都觀察到C被破壞。
圖片來源：E. Siegel
CP是C對稱和P對稱的組合，C對稱是用反粒子代替粒子，P對稱是反射鏡子裡的任何東西。你的左手和右手呈現出P型對稱:如果你豎起大拇指並彎曲手指，你的左手和右手就會互相反射。在粒子物理學中，如果你有一個粒子順時針旋轉，然後向上衰變，它的反粒子應該逆時針旋轉，如果CP守恆，它100%的時間都在向上衰變。否則，就違反了CP。
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
在自然界中，我們觀察到含有重夸克的粒子——奇怪、迷人且沉在底部——它們衰變時違反CP。但是我們從來沒有觀察到第三薩哈羅夫條件:違反重子數(B)。嚴格地說,標準模型只是受命保護B-L,或重子數(B) -輕子數(L)。在許多標準模型的擴充套件中,比如新電弱物理學,新高能輕子物理學,超對稱或大統一理論中,大量的重子違反是可能的。
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
為了向你們展示這在早期宇宙可能是如何進行的,讓我們考慮一下,在大統一理論中,有兩種新型別的粒子:X,負責+4/3和B-L的數量+2/3(反X，負責-4/3和B-L的-2/3),和Y,負責-1/3和B-L數量的-2/3(和反Y，負責+ 1/3和B–L數量+ 2/3)。在早期的高溫宇宙中，只要宇宙有足夠的能量產生這些粒子，它們的數量就會相等。它們不是周圍唯一的東西，但數量很多。
隨著宇宙膨脹和冷卻(這是不平衡的部分)，我們停止製造它們。他們中的一些會找到另一個並消滅，而另一些則會消失，它們如何衰變是有規則的:
粒子(X, Y)和反粒子(反X，反Y)的總衰變時間必須相同。
粒子所能走的任何一條衰變路徑(X或Y)都必須對應反粒子(反X或反Y)所走的「反」路徑。
但是當CP被破壞時，會發生一件特殊的事情:
粒子和反粒子之間的個別衰變路徑不必以相同的佔比出現。
換句話說，如果一個粒子可以以兩種不同的方式衰變，並且每種衰變發生的機率是固定的，那麼它的反粒子也必須以同樣的方式衰變，但每種衰變發生的機率可以是不同的!
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
請看上面的圖，我們可以讓X用50%的時間衰變為兩個上夸克，另外50%的時間衰變為一個反下夸克和一個正電子,但反X用只有49%的時間衰變為兩個反上夸克,另外51%的時間衰變成一個下夸克和一個電子。這意味著，我們每創造50對X和反X對，就會得到151個夸克，51個輕子，148個反夸克和50個反輕子。夸克-反夸克對和輕子-反輕子對會湮滅，剩下三個夸克和一個輕子，或者相當於一個額外的重子(一個質子或中子)和一個額外的輕子(一個電子或一箇中微子)。這條路徑將讓我們在反物質上創造一個顯著的不對稱!
我們可以對Y粒子和反Y粒子進行類似的分析，最終得到一個物質相對於反物質不對稱的宇宙，而反物質一開始並不存在。
圖片來源:E. Siegel，來自他的書《銀河系之外》
儘管「電弱尺度下的新物理學」或「超對稱性理論」的解釋是正確的，LHC（大型強子對撞機）可能會在2016年以有史以來最高的能量繼續執行的時候找到證據，但它還沒有確定這在我們的宇宙中是如何發生的。對於那些喜歡播客的人，我有一個更長的，更詳細的故事版本給你們聽。
這正是我們所知的前沿，也是我打賭理論物理學中下一個最大的未解決的問題。如果一切順利，我們很快就能解釋宇宙中物質多於反物質的原因。
參考資料
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3. Tycho- Ethan Siegel
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