如何建造出一個宇宙

出祺然

當(dāng)前的理論認(rèn)為，我們的宇宙是從大約138億年前的一場大爆炸中誕生出來的。然而，該理論還認(rèn)為，大爆炸應(yīng)該會產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們會彼此湮滅，最終剩下的只是些能量。如果真是這樣的話，那么我們今天所看到的宇宙應(yīng)該是黑暗的、空曠的、安靜的。沒有恒星、行星、生命，有的只是能量，以及一些簡單的粒子，并且所有這些隨著宇宙的膨脹不斷地擴(kuò)散。

事實(shí)上，宇宙卻是繁星遍布，甚至誕生出了如我們這樣的智慧生命。那么，是什么把我們從物質(zhì)和反物質(zhì)的湮滅之中拯救出來了？

20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)物理學(xué)家安德烈·薩哈羅夫提出了三個條件，只要它們都成立，就可以建造出一個像今天這樣的宇宙。

下面，我們就具體來談?wù)劇?/p>

只朝一個方向

在粒子物理學(xué)中，任何一個粒子反應(yīng)過程，都可以逆轉(zhuǎn)運(yùn)行。比如，一對光子可以合并，變成一對粒子和反粒子。反過來也很容易發(fā)生：粒子和反粒子合并，產(chǎn)生出一對光子。事實(shí)上，我們四周的空間中就有這種過程，而且是周而復(fù)始地發(fā)生，盡管過程中的粒子和反粒子是一種虛粒子，不能直接檢測到，但可間接檢測到。

早期的宇宙是高溫高密的，可能很容易地陷入一個粒子和反粒子對不斷創(chuàng)造和銷毀的循環(huán)之中。沒有東西暫停這種循環(huán)，那么粒子就沒工夫去演變?yōu)槲覀兘裉焖吹降挠钪娼Y(jié)構(gòu)。薩哈羅夫提出的一個條件是，在早期宇宙中，產(chǎn)生粒子和反粒子的反應(yīng)速率，大于它的逆反應(yīng)（即粒子和反粒子湮滅）的速率。

許多物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙的膨脹和冷卻會促使物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅的幾率變小，于是循環(huán)被打破了，最終物質(zhì)得以“析出”。這有點(diǎn)像一杯過飽和的糖茶在降溫之后，杯子底部會出現(xiàn)糖晶體一樣。其他的物理學(xué)家認(rèn)為，早期宇宙中，希格斯場——一種能讓粒子獲得質(zhì)量的場——可能分布不均，導(dǎo)致物質(zhì)和反物質(zhì)空間分布的不均，一些就彼此隔離開來。究竟是哪一種情況，仍需進(jìn)一步的研究。

彼此能轉(zhuǎn)換

宇宙大爆炸發(fā)生時，物質(zhì)和反物質(zhì)似乎總是等量誕生出來，它們會彼此完全湮滅掉。要想留下一批物質(zhì)，而不是全部被湮滅，那么就需要一個機(jī)制，使得誕生出的物質(zhì)和反物質(zhì)不是等量的。于是，薩哈羅夫提出，必須有某種過程，能將反物質(zhì)轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，反之亦然。這就是他提出的第二個條件的本質(zhì)內(nèi)容。

物理學(xué)家提出了許多可能的過程。比如，一個反質(zhì)子衰變?yōu)橐粋€電子和兩個光子，這樣反粒子（反質(zhì)子）就轉(zhuǎn)化為粒子（電子）了。盡管現(xiàn)在還沒有任何線索，但物理學(xué)家仍然努力在實(shí)驗(yàn)中尋找物質(zhì)和反物質(zhì)能彼此轉(zhuǎn)化的過程。

有所偏袒

物理學(xué)家估計，宇宙在大爆炸之后創(chuàng)造出的物質(zhì)比反物質(zhì)多了約一百億分之一，但留下的物質(zhì)仍很充足，最終構(gòu)建出了今天宇宙的模樣。那么，為何產(chǎn)生的物質(zhì)比反物質(zhì)更多呢？薩哈羅夫的最后一個條件則是說，轉(zhuǎn)化出物質(zhì)的過程，比轉(zhuǎn)化出反物質(zhì)的過程更容易。也就是說，宇宙偏袒物質(zhì)。

這種差距主要體現(xiàn)在一類叫做重子的粒子身上。重子指的是質(zhì)子、中子等由夸克構(gòu)成的粒子。而天文學(xué)的觀測表明，早期宇宙中的重子數(shù)量比反重子略多一點(diǎn)點(diǎn)。

這個細(xì)微的差別仍無法用當(dāng)前的物理學(xué)理論來解釋。雖然粒子和它的反粒子伙伴之間，存在著一些細(xì)微的行為差異，但這些差異仍然符合當(dāng)前的理論，而且，它還不足以解釋宇宙早期的重子與反重子之間的數(shù)量差。

現(xiàn)在，歐洲核子研究中心（CERN）正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，尤其是借助那里的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，來尋找有關(guān)薩哈羅夫的三個條件成立的證據(jù)。宇宙的誕生過程，可能永遠(yuǎn)會存在著一些謎團(tuán)，但科學(xué)家們會繼續(xù)探尋下去。