正反物質的不對稱疑難

在大多數理論家看來，宇宙中正反物質的大尺度分離是不可能發生的。所以，三千萬光年的範圍內沒有反物質天體，已說明宇宙中大塊的反物質是不存在的。不過理論家也相信，極早期宇宙中正反物質應當等量。如此，需要做的事是尋找物理機理，來說明宇宙如何才能從正反物質等量的狀態過渡到正物質為主的狀態。這裏，理論家也遇到了極其尖銳的困難。

按照大爆炸理論，早期宇宙介質的溫度格外高。粒子間的熱碰撞會成對地產生任何基本粒子。當粒子的成對湮滅與成對產生達到統計平衡，宇宙介質就是所有基本粒子構成的混合氣體，而且任何一種穩定或不穩定的粒子都有接近相等的數密度。至於重子和反重子的數目是否嚴格相等，這並非由物理規律決定，而是由初條件決定的。

在理論家看來，在最初的宇宙中正反粒子應當等量才自然。然而，易於看出，若這想法是對的，重子的守恒性馬上會給出與事實明顯不符的推論。當宇宙的膨脹使氣體溫度降至10 13 K以下，因為粒子的熱動能已不夠，熱碰撞成對產生重子已不可能。於是湮滅過程將使正反重子的數目同時迅速下降。最終，宇宙中將既沒有重子，也沒有反重子。這顯然並非真實宇宙的情景。事實上，目前宇宙中光子的數目最多，重子的數目是它的十萬萬分之一左右，反重子的數目很可能還要低許多量級。倘若重子數B的守恒性是嚴格的物理規律，要宇宙從正反重子等量的狀態演化成今天這樣的狀態是不可能的。然後，理論家又無法相信在原始的宇宙中重子就會多於反重子，那麽問題的出路在哪裏呢?

重子數B的守恒性肯定是嚴格成立的物理規律嗎?至今大量的粒子實驗確實沒有發現過一個破壞重子數守恒的事例，但是這並不說明它一定是嚴格的規律。我們回顧一下化學的發展便可作借鑒。化學反應是元素的重新組合。經驗表明，在重組合的前後，每一種元素的原子數是守恒的，無數的化學實踐表明並沒有什麽例外。那種想把汞變金的煉金術的失敗，更從反麵提供了證明。然而有了核反應的知識後人們已清楚知道，汞變成金完全可能，關鍵在於要有高的能量讓原子核發生變化。化學反應通常是在粒子能量小於1 Me的條件下進行的，這個條件下原子核不能相互接觸，核反應就無法發生。若過程中粒子的能量超過lMeV，原子核之間就可以充分接近，那麽原子核就能變化了，原子數的守恒性也就隨之破壞了。由此看來，原子數在化學過程中的守恒並非偶然的，但是它僅是低能下的唯象規律，而不是普遍成立的自然規律。借鑒同樣的道理，重子數的守恒性也可能僅是相應能量範圍的唯象規律，而不是普遍成立的。當粒子的能量更高，重子數的守恒性完全可能會不成立，這正是現在的理論家看到的出路。

從20世紀70年代中期起，粒子物理中由弱電統一理論的成功，掀起了研究相互作用大統一的潮流。按這樣的理論，高能下發生破壞重子數守恒的過程是十分自然的事，粒子物理中韻這一潮流與宇宙學解決正反物質不對稱疑難的需要不謀而合了。因而這疑難問題作為粒子物理和宇宙學的交叉領域而得到了很多進展。人們已明白，要從正反物質等量的早期宇宙演化出今天正物質為主的狀態，除了重子數守恒可能被破壞外，正反粒子的相互作用性質還必須有適量的差別。因為超高能下的粒子物理規律至今還沒有被掌握，所以實際上自然界是否確實具備這兩個要素，尚無法回答，人們正在試探和摸索之中，如果今天的宇宙中隻有正物質天體是事實，問題是否能按這思路得到解決也還並不完全能夠肯定。

總之，為徹底揭開宇宙反物質之謎，前麵還有極其漫長的路要走。人們已能預料，這問題的解決不僅對認識宇宙是十分重要的，它對物理學的影響也將是很深刻的。