正反物质的不对称疑难

正反物质的不对称疑难

在大多数理论家看来，宇宙中正反物质的大尺度分离是不可能发生的。所以，三千万光年的范围内没有反物质天体，已说明宇宙中大块的反物质是不存在的。不过理论家也相信，极早期宇宙中正反物质应当等量。如此，需要做的事是寻找物理机理，来说明宇宙如何才能从正反物质等量的状态过渡到正物质为主的状态。这里，理论家也遇到了极其尖锐的困难。

按照大爆炸理论，早期宇宙介质的温度格外高。粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。当粒子的成对湮灭与成对产生达到统计平衡，宇宙介质就是所有基本粒子构成的混合气体，而且任何一种稳定或不稳定的粒子都有接近相等的数密度。至于重子和反重子的数目是否严格相等，这并非由物理规律决定，而是由初条件决定的。

在理论家看来，在最初的宇宙中正反粒子应当等量才自然。然而，易于看出，若这想法是对的，重子的守恒性马上会给出与事实明显不符的推论。当宇宙的膨胀使气体温度降至1013K以下，因为粒子的热动能已不够，热碰撞成对产生重子已不可能。于是湮灭过程将使正反重子的数目同时迅速下降。最终，宇宙中将既没有重子，也没有反重子。这显然并非真实宇宙的情景。事实上，目前宇宙中光子的数目最多，重子的数目是它的十万万分之一左右，反重子的数目很可能还要低许多量级。倘若重子数B的守恒性是严格的物理规律，要宇宙从正反重子等量的状态演化成今天这样的状态是不可能的。然后，理论家又无法相信在原始的宇宙中重子就会多于反重子，那么问题的出路在哪里呢？

重子数B的守恒性肯定是严格成立的物理规律吗？至今大量的粒子实验确实没有发现过一个破坏重子数守恒的事例，但是这并不说明它一定是严格的规律。我们回顾一下化学的发展便可作借鉴。化学反应是元素的重新组合。经验表明，在重组合的前后，每一种元素的原子数是守恒的，无数的化学实践表明并没有什么例外。那种想把汞变金的炼金术的失败，更从反面提供了证明。然而有了核反应的知识后人们已清楚知道，汞变成金完全可能，关键在于要有高的能量让原子核发生变化。化学反应通常是在粒子能量小于1Me的条件下进行的，这个条件下原子核不能相互接触，核反应就无法发生。若过程中粒子的能量超过lMeV，原子核之间就可以充分接近，那么原子核就能变化了，原子数的守恒性也就随之破坏了。由此看来，原子数在化学过程中的守恒并非偶然的，但是它仅是低能下的唯象规律，而不是普遍成立的自然规律。借鉴同样的道理，重子数的守恒性也可能仅是相应能量范围的唯象规律，而不是普遍成立的。当粒子的能量更高，重子数的守恒性完全可能会不成立，这正是现在的理论家看到的出路。

从20世纪70年代中期起，粒子物理中由弱电统一理论的成功，掀起了研究相互作用大统一的潮流。按这样的理论，高能下发生破坏重子数守恒的过程是十分自然的事，粒子物理中韵这一潮流与宇宙学解决正反物质不对称疑难的需要不谋而合了。因而这疑难问题作为粒子物理和宇宙学的交叉领域而得到了很多进展。人们已明白，要从正反物质等量的早期宇宙演化出今天正物质为主的状态，除了重子数守恒可能被破坏外，正反粒子的相互作用性质还必须有适量的差别。因为超高能下的粒子物理规律至今还没有被掌握，所以实际上自然界是否确实具备这两个要素，尚无法回答，人们正在试探和摸索之中，如果今天的宇宙中只有正物质天体是事实，问题是否能按这思路得到解决也还并不完全能够肯定。

总之，为彻底揭开宇宙反物质之谜，前面还有极其漫长的路要走。人们已能预料，这问题的解决不仅对认识宇宙是十分重要的，它对物理学的影响也将是很深刻的。