为什么138亿年前的反物质会在宇宙中消失？

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在138亿年前的宇宙最初阶段，事情发生得很快。在宇宙大爆炸之后的前25微秒内，已经发生了许多不可思议的事件。宇宙创造了所有的粒子和反粒子，包括已知的和未知的，并且达到了最高温度。通过一个目前物理学家还未确定的过程，宇宙制造出了超过反物质的物质：仅仅多出了十亿分之一。正因为这种不均衡性，导致电弱对称性破缺，使得希格斯玻色子能够给宇宙提供质量。那些重的、不稳定的粒子衰变了，夸克和胶子结合在一起形成了质子和中子。

但在演化为如今我们所认识到的宇宙之前，宇宙中肯定还发生了一系列其他事件。第一个，一旦质子和中子产生之后，最后的反物质（当时仍然非常丰富）将会被除去。

只要有足够的能量，就可以在宇宙中制造出反物质。根据爱因斯坦的著名质能方程：E=mc^2，质量和能量是等价的，具体可以总结为以下两点：

（1）可以从纯物质（或反物质）中创造能量，通过减少物质的质量来把质量（m）转化为能量（E），例如，通过把等量的物质与反物质相互湮灭。

（2）反过来，也可以从纯能量中创造出新的物质，只要它能制造出等量的粒子和反粒子对。

只要有足够的能量让创造顺利进行，这些湮灭-创造的过程在早期宇宙中就能保持平衡。

在最早期阶段，最重的粒子-反粒子对最先湮灭消失。创造出最重的粒子和反粒子需要消耗最多的能量，所以当宇宙冷却时，相互作用的能量量子就会越来越不可能自发地制造出新的粒子/反粒子对。

随着时间的推移，希格斯粒子给宇宙带来了质量，能量太低的东西无法创造出顶夸克或者W和Z玻色子。简而言之，宇宙不能再创造出底夸克、τ轻子、粲夸克、奇夸克，或者甚至是μ介子。大约在同一时间，夸克和胶子结合成中子和质子，而反夸克结合在一起形成反中子和反质子。

到此，宇宙中可用的能量变得过低，无法制造出新的质子/反质子或者中子/反中子。因此，所有的反物质都会随着它所接触到的物质而湮灭。但由于每14亿个质子/反质子对大约有1个质子（或中子），结果就剩下了少量的质子和中子。

但所有的正反物质湮灭都产生了光子，这是最纯粹的原始能量形式。光子-光子的相互作用在这个充满能量的早期阶段仍然很强大，它们可以自发地产生中微子-反中微子对、电子-正电子对。即使宇宙制造出了质子和中子之后，所有的反质子和反中子都消失了，但宇宙中仍然充满了反物质。

需要注意的是，即使是在这个相对较晚的阶段，仍然有多炽热致密的东西。到此，自宇宙大爆炸以来，宇宙只过了几分之一秒的时间，那时的宇宙到处都是粒子，其密度要高于现在的太阳中心。最重要的是，有大量的相互作用不断发生，这能把一种类型的粒子转化为另一种。

今天，只有一种情况会自发产生弱相互作用：放射性衰变。诸如自由中子或重原子核等较高质量的粒子会释放出质量较低的粒子，同时会释放出一些能量，这个过程与爱因斯坦的质能方程计算结果是一致的。

但是在炽热、致密的早期宇宙中，弱相互作用起到的第二个作用是使质子和中子相互转化为彼此。只要宇宙充满足够的能量，这就会产生一些自发的反应：

在上述方程中，p为质子，n为中子，e-为电子，e+为正电子（反电子），νe为电子中微子，νe上方加一横的字母表示反电子中微子。

只要温度和密度足够高，所有这些反应都是自发的，并且具有相同的速率。弱相互作用仍然很重要；有足够的物质和反物质经常发生反应；有足够的能量从较低质量的质子中创造出更高质量的中子。

在宇宙大爆炸之后的第一个完整1秒内，一切都处于平衡状态，宇宙中的质子和中子任意相互转化。

但在这个宇宙中，很少有东西注定会永远持续下去，包括这些相互转化过程。碰巧改变这些现象的第一大重要事件是宇宙正在冷却。随着空间膨胀，宇宙温度从几万亿度降至几十亿度，大多数中子与正电子或电子中微子发生碰撞之后，仍然可以产生质子；但大多数质子与电子或反电子中微子发生碰撞之后，不再有足够的能量来产生中子。

要知道，尽管质子和中子的质量几乎相同，但中子的质量略高，比质子重0.14%。这意味着，当宇宙的平均能量（E）低于质子和中子之间的质量差（Δm）时，把中子转化为质子比质子转化为中子更容易。

在宇宙大爆炸后的一秒，质子就开始支配中子。但在那一刻，又有两起事件接连发生，这永远改变了宇宙的进程。第一起是弱相互作用失去效应，使得质子-中子停止互相转化。

这些相互转化的发生需要中微子在一定频率下与质子和中子相互作用，只要宇宙足够热，密度足够大就行。当宇宙变得足够冷和稀疏之时，中微子（和反中微子）不再相互作用，这意味着这些中微子和反中微子不再会与宇宙中的其他东西互相作用，它们现在应该仍然存在，其温度约为1.95开氏度（零下271.20摄氏度），这就是理论预言中的宇宙中微子背景辐射。

另一方面，此时宇宙中仍然充满能量，两个光子的碰撞可以产生正负电子对，并且电子-正电子对也会湮灭成两个光子。这种情况一直持续到宇宙诞生之后三秒，这意味着所有的物质-反物质能量都被束缚在电子和正电子中，当它们湮灭时，它们就会完全转变为光子。

这意味着剩余光子背景（即现如今的宇宙微波背景）的温度应该精确地（11/4）比中微子背景的温度高了40%，所以宇宙微波背景的温度是2.73开氏度，而不是1.95开氏度。这正是目前的观测结果，与宇宙大爆炸理论的预言完美符合。

在1992年，NASA（NASA）的COBE卫星首次发布数据，人类第一次测量了宇宙微波背景的温度。但中微子背景以一种非常微妙的方式留下痕迹，直到2015年才被发现。当它最终被发现时，科学家注意到宇宙微波背景辐射的涨落中有一个相移，这使得科学家能够确定，宇宙中微子背景的温度为1.96±0.02开氏度，这又与宇宙大爆炸理论的预测完全一致。

由于弱相互作用起重要作用的时间十分短暂，所以反物质仍然存在，并且宇宙中的质子和中子比例不再是50/50，而是演变为72/28，质子数量要多于中子数量。由于中微子和反中微子与宇宙中的所有其他粒子完全退耦，所以它们之后会在空间中自由穿行，它们的质量趋于零，速度趋于光速。与此同时，反电子都消失了，所以大部分的电子也消失了。

当尘埃落定时，就会有像质子一样多的电子使宇宙保持电中性。在宇宙中，每一个质子或中子都有对应超过10亿个光子，大约70%的中微子-反中微子对应光子。宇宙仍然是热很密，但在最初的3秒内已经大幅冷却下来。没有这些反物质，恒星的原料正在逐渐形成，宇宙渐渐演化为现如今的样子。

  
本文选自：今日头条