我們先來看兩個(gè)看起來相互矛盾的事實(shí)：
當(dāng)我們觀測宇宙時(shí)，我們看到行星和恒星，星系和星系團(tuán)，散布在星際間的氣體和塵埃等等。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)到處都有著同樣的特點(diǎn)。我們會(huì)看到原子的吸收和發(fā)射線，物質(zhì)和其它物質(zhì)之間的相互作用，恒星的誕生和死亡，碰撞等等。
在星系中的恒星、星系、氣體和塵埃都是由物質(zhì)構(gòu)成的。（? Hubblesite）
接著，我們看第二個(gè)事實(shí)：
我們觀測過的所有粒子之間的相互作用，無論是在什么能量等級(jí)，當(dāng)一個(gè)粒子被制造或摧毀的時(shí)候，總是會(huì)伴隨著一個(gè)反粒子被制造或摧毀。物質(zhì)和反物質(zhì)之間嚴(yán)格遵守著物理對(duì)稱。例如，每當(dāng)一個(gè)夸克（或輕子）被制造（或摧毀）的時(shí)候，也會(huì)有一個(gè)反夸克（或反輕子）被制造（或摧毀）。也就是說，在宇宙大爆炸后，粒子和反粒子應(yīng)該等量地產(chǎn)生。
（a）成對(duì)產(chǎn)生：光子相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)粒子和一個(gè)反粒子；（b）湮滅：當(dāng)一個(gè)粒子和反粒子相遇會(huì)通過光子的形式釋放能量。（? Dmitri Pogosyan）
我們知道，當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇的時(shí)候，比如質(zhì)子和反質(zhì)子相遇，會(huì)導(dǎo)致兩者湮滅，而釋放出高能光子。但是，我們沒有觀測到在大尺度下物質(zhì)和反物質(zhì)之間發(fā)生的湮滅。我們沒有看到任何證據(jù)表明行星、恒星或星系是由反物質(zhì)構(gòu)成的。所有的證據(jù)都表明，宇宙中的萬物都是由物質(zhì)構(gòu)成的，而不是反物質(zhì)。
所以，一方面我們從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看到，當(dāng)我們制造或摧毀物質(zhì)時(shí)，肯定會(huì)有等量的反物質(zhì)被制造或摧毀。另一方面，我們知道你、我和宇宙間的所有物體都是由物質(zhì)組成的。
如果在物質(zhì)和反物質(zhì)之間的物理定律完全對(duì)稱，那為什么今天看到的宇宙都是由物質(zhì)構(gòu)成的？這個(gè)問題被稱為重子數(shù)產(chǎn)生（Baryonesis），是基本物理學(xué)中最大的未解之謎之一。當(dāng)然，如果不是這樣的話，我們也不會(huì)存在，更不會(huì)提出這樣的疑問。
【注：重子是指由三個(gè)夸克或反夸克組成的復(fù)合粒子，比如構(gòu)成生活中一切物質(zhì)的質(zhì)子和中子。重子數(shù)則是粒子物理學(xué)中定義的一個(gè)量子數(shù)，用字母B表示。重子的重子數(shù)為+1，反重子的重子數(shù)為-1，其它粒子如輕子和介子的重子數(shù)為0.】
面對(duì)這個(gè)問題，我們現(xiàn)在有兩個(gè)選項(xiàng)：要么是宇宙誕生的時(shí)候物質(zhì)就比反物質(zhì)更多；要么就是在熾熱和致密的宇宙早期發(fā)生了什么，從而導(dǎo)致物質(zhì)和反物質(zhì)（一開始都沒有）之間的不對(duì)稱。雖然我們不能排除前者的可能性，但是我們無法驗(yàn)證它，除非我們能夠重演宇宙大爆炸。但如果后者是正確的，我們就可以想辦法找出答案。
1968年，科學(xué)家邁出了重要的一步，蘇聯(lián)物理學(xué)家Andrei Sakharov意識(shí)到，如果宇宙滿足三個(gè)條件，那么物質(zhì)/反物質(zhì)不對(duì)稱就是不可避免的。這三個(gè)條件分別是：
偏離熱平衡。
存在破壞C對(duì)稱（電荷共軛對(duì)稱）和CP對(duì)稱（電荷共軛與宇稱聯(lián)合對(duì)稱性）的相互作用。
存在破壞重子數(shù)守恒的相互作用。
宇宙不斷地在膨脹和冷卻。（? E.Siegel）
第一個(gè)很容易達(dá)到。如果宇宙是廣袤，膨脹和冷卻的，并且由廣義相對(duì)論和量子場論支配，那么就已經(jīng)創(chuàng)造了一個(gè)熱平衡偏離的狀態(tài)！記住，平衡是指在一個(gè)系統(tǒng)里所有的粒子之間都有機(jī)會(huì)相互交流，或者說交換信息。但是，在一個(gè)膨脹，冷卻的宇宙中，在宇宙的一邊和另一邊的粒子之間是沒有因果接觸的；事實(shí)上，在早期的宇宙中就有許多區(qū)域之間都是因果不接觸的，甚至連光也沒有足夠的時(shí)間從一個(gè)區(qū)域傳播到另一個(gè)區(qū)域。
我們?cè)賮砜吹诙€(gè)條件。C對(duì)稱關(guān)心的是如果電荷對(duì)換了會(huì)發(fā)生什么。我們知道粒子和它的反粒子有完全相同的質(zhì)量，但電荷卻相反。通過一個(gè)電荷共軛的操作，相當(dāng)于在一個(gè)物理過程中把所有的粒子用相應(yīng)的反粒子替代。我們可以想象一個(gè)由反物質(zhì)構(gòu)成的反世界。根據(jù)電荷共軛對(duì)稱推斷，我們的世界和反世界的物理定律應(yīng)該完全一樣。但如果C對(duì)稱被違反了，粒子和反粒子之間的行為就會(huì)相反！觀測表明，在弱相互作用（包括放射性衰變），C對(duì)稱是可以被破壞的。
弱相互作用破壞電荷共軛不變性：所有的中微子都是左手的，沒有右手中微子的存在。所有的反中微子都是右手的，沒有左手的反中微子存在。（? E. Siegel）
P對(duì)稱是指鏡像對(duì)稱，也被稱為宇稱不變性。當(dāng)你照鏡子的時(shí)候，鏡中的你跟現(xiàn)實(shí)中的你正好左右相反。如果你舉起右手，鏡像中的你就會(huì)舉起左手?，F(xiàn)在想象有一個(gè)鏡像宇宙，在這個(gè)宇宙中所有的東西都是相反的。在這個(gè)宇宙的我們都是左邊駕駛的，太陽會(huì)打西邊升起，從東邊日落等等。但基本上沒有任何其它東西會(huì)改變，事實(shí)上我們只要把左邊和右邊的概念對(duì)換一下就會(huì)跟我們身處的這個(gè)宇宙沒有任何區(qū)別。在大多數(shù)情況下，自然并不區(qū)別左和右，宇稱是守恒的。這樣的情況維持到了1956年，直到楊振寧和李政道提出了在弱相互作用中宇稱不守恒。
一個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)的介子（左上）衰變并往北射出電子。在P變換下（右上），介子順時(shí)針?biāo)プ儾⑼鄙涑鲭娮?；在C變換下（左下），逆時(shí)針轉(zhuǎn)的反介子衰變并往北射出電子；在CP聯(lián)合變化下（右下），該粒子變成順時(shí)針的反介子衰變，并往北射出電子。（? E. Siegel）
宇稱和電荷共軛都被破壞了，那么有沒有這樣一種可能性：如果我們能夠建造一個(gè)魔鏡，它不僅能反射左和右，還能把粒子變成反粒子，那么自然有沒有可能在宇稱（P）和電荷共軛（C）的聯(lián)合操作下不變。好景不長，在1964年的時(shí)候科學(xué)家也找到了CP對(duì)稱被破壞的證據(jù)。
在自然界中，我們觀測到了粒子，比如重夸克衰變的時(shí)候違反CP守恒。但是我們從來沒觀測到Sakharov提出的第三種條件：存在破壞重子數(shù)的相互作用。盡管，更嚴(yán)格的說是，標(biāo)準(zhǔn)模型只規(guī)定 B - L 守恒，或重子數(shù)（B）減去輕子數(shù)（L）。根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，我們知道它可以——不，是必須——存在破壞重子數(shù)守恒的相互作用。
下面我要給你們看的是支配粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的場方程：
格拉肖-溫伯格-薩拉姆的弱電統(tǒng)一模型中的拉格朗日量。（? Max Planck Institute for Nuclear Physics Heidelberg）
不要太在意細(xì)節(jié)，重要的是這個(gè)方程告訴我們重子數(shù)守恒是可以被破壞的。事實(shí)上，它明確地允許重子（比如質(zhì)子）數(shù)和輕子（比如電子）數(shù)必須同時(shí)一起被破壞，這就意味著宇宙必須有同樣數(shù)量的重子和輕子?。ㄟ@幾乎解釋了為什么有相同數(shù)量的質(zhì)子和電子，因此即使宇宙擁有帶電的質(zhì)子和電子，但依然是電中性的。）
當(dāng)然，問題是我們要知道這三個(gè)條件的量。我們是否有足夠的重子數(shù)破壞？
在不同標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展中的電子偶極矩。（? Gabrielse group and D. DeMille）
就我們目前所知，答案似乎是不夠?；蛟S在高能量的情況下，標(biāo)準(zhǔn)模型中存在更多破壞CP對(duì)稱的相互作用，只是我們還沒有發(fā)現(xiàn)而已。但物理學(xué)家更偏向于認(rèn)為答案隱藏在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論中。在許多標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展理論中，比如新的弱電物理、高能輕子物理、超對(duì)稱或大統(tǒng)一理論，都預(yù)言了大量重子數(shù)破壞的可能。
宇宙的不同時(shí)期，包括下文會(huì)提到的最早期的普朗克時(shí)期，以及之后的大統(tǒng)一時(shí)期和電弱時(shí)期。（? ESA）
這些理論或許能夠幫助我們回答重子數(shù)產(chǎn)生的問題：
1. 輕子數(shù)不對(duì)稱產(chǎn)生機(jī)制（Leptogenesis）：該假設(shè)認(rèn)為在宇宙早期熾熱的環(huán)境中充滿了中微子的堂兄（較重）。它們更傾向于衰變成反輕子，而不是輕子（輕子包括電子、中微子等）。通過高溫量子隧穿事件，即sphaleron過程，多余的反輕子會(huì)轉(zhuǎn)換成我們今天看到的過量的重子。許多實(shí)驗(yàn)正在尋找這些罕見的衰變，希望能告訴我們重的中微子是否存在。
通過Sphaleron過程產(chǎn)生重子。（? arXiv:1206.2942）
2. 電弱重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制（Electroweak baryogenesis, EWBG）：這是解釋宇宙中重子不對(duì)稱最具有吸引力和前景的理論之一。從名字就可以猜出，EWBG是指任何在宇宙早期電弱相變時(shí)期產(chǎn)生的重子密度不對(duì)稱的機(jī)制，但只有在EWSB是一級(jí)相變的情況，類似水分蒸發(fā)。在空間中，布滿了一個(gè)場的能量泡，這個(gè)場就是希格斯場。在能量泡外的空間的反輕子會(huì)通過sphaleron過程轉(zhuǎn)化成重子。而在泡里面的空間就不會(huì)。從希格斯的質(zhì)量我們知道，EWSB的溫度過低不足以產(chǎn)生一級(jí)相變。但是，如果在高能下我們能夠找到類似希格斯的粒子，這個(gè)理論就是可行的。
3. Affleck-Dine機(jī)制：超對(duì)稱理論假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個(gè)基本粒子都有一種被稱為超對(duì)稱伙伴的粒子與之匹配。如果這個(gè)理論正確，那么在宇宙暴脹期間，已知粒子的超對(duì)稱伙伴會(huì)進(jìn)行CP破壞衰變，從而產(chǎn)生過量的重子。但到目前為止，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)都沒有找到任何超對(duì)稱粒子。
4. 普朗克/大統(tǒng)一重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制（Planck/GUT-scale baryogenesis）：重子數(shù)產(chǎn)生或許發(fā)生在接近時(shí)間的開端，在觸不可及的高能下，即大統(tǒng)一尺度或普朗克尺度。在那個(gè)尺度下，標(biāo)準(zhǔn)模型不再適用。對(duì)質(zhì)子衰變的測量或許有一天能夠幫助我們理解大統(tǒng)一尺度的物理定律，但如果重子數(shù)產(chǎn)生發(fā)生在普朗克尺度，我們或許永遠(yuǎn)無法用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證其背后的機(jī)制。
Sakharov提出的三個(gè)條件肯定存在于我們的宇宙之中，我們需要回答的唯一問題是“要怎么得到今天所觀測到的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱的量？” 雖然我們還沒有得到完整的答案，但我相信在不久的將來，這是眾多關(guān)于“從何而來”的問題里可以被解決的一個(gè)。
參考文獻(xiàn)：
【1】G. Steigman (2007). 'Primordial Nucleosynthesis in the Precision Cosmology Era'. Annual Review of Nuclear and Particle Science. 57: 463–491.
【2】https://arxiv.org/abs/1206.2942
【3】Affleck, I.; Dine, M. (1985). 'A new mechanism for baryogenesis'. Nuclear Physics B, Particle Physics. B249 (2): 361–380.
【4】https://arxiv.org/abs/hep-ph/9606260
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