前言

可能自我们出生开始，除了对自己身边的事情好奇外，更好奇的应该是我们的宇宙——它究竟从何而来？

究竟是无中生有，还是高级智慧的创作呢！

无论是先有鸡还是先有蛋，还是高级智慧，它总也有一个从0到1的来源吧！那么这个0究竟是怎么来的？

很多宇宙学的大佬说，宇宙就是无中生有，比如大爆炸理论，就是从一个奇点开始...很多人不信。

但是，量子力学却教会他们，无中生有是切实可以发生的。

你说我应该相信谁？

也许，如著名天文学专栏作家尼尔·泰森所说：宇宙的真理也许人类是穷其一生都无法理解的！

我认为：就目前阶段——宇宙学，几乎都是人类研究的想当然和情理之中罢了。

不过没关系，大家都喜欢听故事嘛，本篇我再带大家解读一封关于宇宙学的新思想。

在浩瀚的宇宙中，我们看到了无数的天体结构：行星、恒星、气体、尘埃、等离子体以及无数的星系。

这些物质仿佛在向我们揭示宇宙的本质——它们都由普通的物质组成，像夸克和轻子那样的基本粒子构成。

反物质呢？

虽然存在，但数量极为稀少，只在极小的范围内与反夸克和反轻子偶然出现。

然而，当我们在地球上进行各种粒子实验，无论是在对撞机的高能量环境下，还是在宇宙射线下，我们发现，物质和反物质总是成对出现——如果我们想要创造新的物质，总会伴随着同等数量的反物质诞生。

想像中用反物质当燃料的反物质火箭

那么，问题来了：宇宙中的物质为何能够以如此绝对的优势存在？

为何没有等量的反物质与之抗衡？这就是科学家们在探索宇宙奥秘时的一个巨大谜团。

01 物质的起源之谜

有人肯定会问：“宇宙中的物质究竟是如何从最初的几乎空无一物，变成如今如此普遍、并持续生长的状态？我知道物质并非有机生命体，那么它为什么会成倍增长，似乎在不断扩展？”

其实，严格来说，物质的丰度并非随着时间的推移而增长，而是早在宇宙的早期，就已经在某种机制下形成了物质与反物质的不对称性。

这正是科学家们试图解开的谜题——宇宙是如何在短短的时间内，从一个完全对称的状态，转变为如今物质主导的状态？

在大爆炸刚发生的那一瞬间，宇宙充满了物质和辐射，温度极高、密度极大，任何复合粒子都无法稳定形成。

在最初的千分之一秒内，宇宙中的主要组成只有夸克-胶子等离子体以及一些飞速运动的轻子和其他基本粒子。这种“原始汤”中充斥着物质、反物质和辐射，表现出一种高度的对称性。

要理解物质是如何从这种状态演化而来的，我们首先要明白，宇宙在大爆炸初期并不是“几乎什么都没有”，恰恰相反，它几乎拥有了一切——惊人的高能量和温度促使这些粒子和反粒子频繁地诞生和湮灭。

当时的宇宙极度炽热且充满活力，随着时间的推移，它在快速膨胀和冷却。

这种高能条件下，粒子相互碰撞，形成新粒子，包括粒子-反粒子对。

2012年大型强子对撞机(LHC)高能碰撞产生的粒子轨迹显示出许多新粒子的产生。

根据爱因斯坦的经典方程 E=mc²，只要有足够的能量，几乎任何种类的粒子和反粒子都可以被创造出来。

这种碰撞在宇宙初期达到了极致，远远超过我们今天在大型强子对撞机（LHC）中所能实现的能量水平。

02 物质和反物质的不对称性

虽然宇宙初期拥有创造所有已知粒子的能力，甚至可能诞生一些我们尚未发现的粒子，但令人困惑的是，随着时间推移，宇宙中只剩下了物质而几乎没有反物质。

这种不对称性究竟是如何产生的？

理论物理学家安德烈·萨哈罗夫早在1967年就提出了三个条件，试图解释这种现象：

1、非平衡状态的存在：宇宙的膨胀和冷却，使得它从高能平衡状态逐渐转向非平衡状态。

2、C-和CP-对称性的破坏：在粒子与反粒子的相互作用中，违反电荷共轭对称性（C）和电荷-宇称对称性（CP）的行为。

3、重子数的破坏：即在粒子的生成或湮灭过程中，产生或消灭了净数目的重子。

这些条件为物质的产生提供了理论基础。但具体而言，这些条件意味着什么呢？

宇宙的膨胀和冷却导致不稳定的粒子和反粒子衰变，而物质-反物质对湮灭，光子不再能够以足够高的能量碰撞产生新的粒子。反质子会与等效的原子序数碰撞，将其湮灭，反中子与中子也会如此。

当系统中的粒子能够自由地交换能量并相互作用时，我们称之为平衡状态。然而，宇宙在大爆炸后的膨胀和冷却过程，正是一个极其不稳定的非平衡系统，这种环境为萨哈罗夫条件之一的“非平衡”提供了基础。

然而，更复杂的情况涉及C对称性和CP对称性的破坏。

粒子与反粒子的行为在理想状态下应是对称的，但实际上并非如此。在自然界中，弱相互作用是唯一一种被观察到破坏了这些对称性的力。

这种对称性的破坏虽然存在，但在标准模型框架下的程度不足以解释宇宙中的物质主导现象，因此，必须有其他来源的CP破坏才能解释这种不对称性。

在标准模型中，每个粒子反应都必须遵循守恒定律，因此，在今天的实验条件下，我们尚未观察到可以创造或摧毁重子的反应。

然而，宇宙中的重子确实存在，这意味着在早期宇宙中，必须有某种机制产生了重子和轻子的净数目。

03 大统一理论：探索物质形成的潜在机制

为了更好地理解宇宙中的物质-反物质不对称性，物理学家提出了几种可能的理论机制，其中之一便是“大统一理论”。

该理论假设在宇宙的高能状态下，存在一些超重基本粒子（如X和Y波色子）。这些粒子在衰变时违反CP对称性，从而可能导致重子数量超过反重子。

这些粒子的衰变路径不对称，使得宇宙最终拥有了更多的物质。

此外，还有其他理论，例如轻子生成、电弱重子生成和Affleck-Dine重子生成，这些理论都基于不同的假设和物理现象，试图解释宇宙早期的非对称性。

这些理论都涉及到超出当前标准模型的物理内容，因此我们今天尚无法在实验中验证。

总结：

尽管这些理论为我们提供了探索宇宙物质起源的多种路径，但它们仍然需要大量的实验验证。

现代粒子对撞机如LHC已经达到了极高的能量水平，但与大爆炸初期相比仍相去甚远。因此，要想彻底揭开这个谜题，我们可能需要更高能量的对撞实验和更深入的理论探索。

或许未来，我们将有能力在实验室中重现大爆炸初期的极端条件，从而验证这些理论是否正确。

无论最终答案是什么，探索宇宙中物质的起源，不仅帮助我们了解我们的存在本质，也推动了人类对物理学极限的挑战。

这一切，终将为我们揭开宇宙的更深层奥秘！