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为什么我们会存在？这无疑是宇宙最大的存在问题 。 因为我们的理论和观察表明 ， 每当物质产生时 ， 都会产生等量的反物质 。 但是当物质和反物质相遇时 ， 它们会在巨大的能量爆发中相互湮灭 。 因此大爆炸应该产生等量的物质和反物质 ， 从而导致一阵阵的能量爆发 ， 最后几乎什么也没有留下 。
虽然一个由虚无组成的宇宙可能会有一个更简单的理论 ， 但它显然不是我们的宇宙 ， 因为我们所观察到的宇宙是由物质组成的 。 问题是为什么我们能看到的几乎所有东西都是由物质构成的 ， 那些反物质去哪儿了？这是物理学中最大的谜题之一 ， 为了找到可能的线索 ， 我们必须求助于量子力学 。
宇宙物质的最佳理论是粒子物理学的标准模型 ， 该模型不仅描述了物质 ， 还描述了物质如何与三种基本力相互作用 。 我们还有另一个理论：爱因斯坦的广义相对论 ， 它描述了物质如何通过时空曲率在大尺度上相互作用 。 这两种理论几乎描述了我们所知道的关于宇宙如何运作的一切 。 但是 ， 标准模型和广义相对论都无法解释为什么宇宙是物质的 。
从无到有我们必须解决的第一件事是事物如何从无到有的问题 。 这个问题是在量子力学之前提出的 ， 但现在我们有了量子力学 ， 它为我们提供了一个可行的解决方案 。
如果有一个盒子 ， 并且你拿出了盒子里的所有物体粒子和辐射 ， 你可能会说这个盒子什么都没有了 。 但在量子力学中 ， 那个盒子并不是真的一无所有 ， 量子力学定律在那个盒子里仍然有效 ， 这意味着它仍然会有量子涨落 。 这就是粒子可以在很短的时间内被创造和摧毁的想法 ， 以至于我们不会真正注意到它们 。
这些无法直接测量的虚拟粒子 ， 我们知道它们在那里 ， 因为我们可以检测它们的整体效应 。 空的空间有能量 ， 它可以施加一种力 ， 这可以从卡西米尔效应中看出 。 这种效应是由一组平行金属板的内部和外部之间的压力差引起的 ， 而压力差是由内部与外部量子涨落的差异造成的 。 因此 ， 当我们将空间的真空视为虚无时 ， 我们必须记住它确实存在某种东西 。 而这种东西是由于量子力学定律 ， 特别是海森堡不确定性原理 。
但是当从真空中创造物质时 ， 它也会产生等量的反物质 。 反物质就像物质一样 ， 只是带有相反的电荷 。 例如 ， 电子的反物质等价物是正电子 ， 它就像电子一样 ， 只是带正电荷而不是负电荷 。 同样 ， 还有反中微子和反夸克 。 当物质和反物质碰撞时 ， 它们会相互湮灭产生巨大的能量 。 一个简单的费曼图可以用来表示该过程 ， 我们也可以将该图颠倒过来：能量变成物质和反物质 。
所以 ， 只要能量是守恒的 ， 那么原则上就可以从空间的真空中产生等量的物质与反物质 。 假设今天的物理定律与宇宙开始时的物理定律相同 ， 那么我们会期望看到反物质和物质一样多 。 然而 ， 问题是 ， 我们可以观察到的宇宙似乎都是物质 ， 反物质似乎只占极小的一部分 。 所以我们需要弄清楚是什么导致了这种物质-反物质不对称 ， 这个问题现在被称为重子生成问题 。
萨哈罗夫的三个条件在138亿年前 ， 当宇宙诞生时 ， 人们认为它是物质-反物质对称的 ， 这意味着两者的数量相等 。 但在它存在的第一秒内 ， 宇宙中几乎所有的反物质都消失了 。 所以宇宙要么优先创造物质 ， 要么优先破坏反物质 ， 但是什么原因造成的呢？
1967年 ， 俄罗斯核物理学家安德烈·萨哈罗夫提出 ， 宇宙必须满足三个条件才能以不同的速率产生物质和反物质 。 这些条件如下：一是宇宙必须不平衡 ， 二是宇宙必须表现出C和CP对称性违反 ， 三是宇宙必须具有违反重子数守恒的相互作用 。 基本上 ， 萨哈罗夫在数学上证明 ， 如果满足这些条件 ， 宇宙可以从等量的物质-反物质开始 ， 但最终产生比反物质更多的物质 。
让我们逐条来看看这些条件意味着什么 。 第一个条件对我们来说很容易 ， 因为我们生活在一个正在膨胀的宇宙中 ， 它不处于平衡状 。
C对称性代表电荷共轭对称性 ， 它只是意味着物理定律应该同样适用于反物质 。 但是如果C对称性被破坏 ， 物理定律在粒子和反粒子上就会表现得彼此相反 。 事实证明 ， 弱力会破坏C对称性 ， 如果你把一个左旋的中微子应用C变换使其成为一个反中微子 ， 它不起作用 。 因为中微子总是左旋 ， 而反中微子总是右旋 。 为了把中微子变成反中微子 ， 还必须改变它的自旋方向 ， 这需要所谓的CP变换 。 CP对称性是C对称性和P对称性的组合 ， P代表空间宇称 ， 同样弱力也可以违反CP对称性 。 但遗憾的是 ， 没有足够的违反CP的相互作用来解释我们在宇宙中看到的物质和反物质数量的差异 。
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