问爱善：为什么这个宇宙电中性的？

由于某种理由，电子和质子上的电荷是相等且相反的，它们的数目也相等。但为什么？

STARTS WITH A BANG — APRIL 15, 2022

Ethan Siegel

这张来自银河系的偏振发射图追踪出银河系磁场为印迹在原子和其他尘埃粒子的排列上一样。银河系的磁场不是一个单一的相干实体，而是有在尺度数百到数千光年尺寸上的微高斯特征：对于像我们这样的星系这是典型的。(Credit: ESA and the Planck Collaboration)

关键要点

在宇宙中的所有宇宙尺度上，从行星到宇宙之网，决定我们获得的结构的是引力，而不是电磁力或核力。

     核力只是短距离的，但电磁力的延伸就像引力做的一样延伸，而且嘲笑的更强大。

这意味着电子和质子不仅在宇宙中有相等和相反的电荷而且具有相等和相反的数字。但为什么会这样呢？

无论我们看哪里，在每一个最大的宇宙尺度上，引力统治着我们形成的结构。从行星到恒星、恒星系统、星团、星系和星系团，引力压倒性地和单枪匹马地决定我们最终会遇到什么样的实体。但这本身也有一些深远的涵义，因为两个质子之间的电磁力是某些比引力更强10^36倍的东西。电磁力来胜过引力上占主导地位只需要采取一个非常非常轻微的电荷不平衡。

然而，特别是在大宇宙尺度上，它似乎从未出现过这样。这是否意味着宇宙总体上是电中性的？如果是这样，为什么是这呢？这就是路佩特考奇想知道的，他问道：

 “似乎宇宙的每个部分都是电中性的。但这是为什么呢？为什么宇宙中的电子数量与质子的数量相匹配？即使人们会假设所有的质子和电子都来自衰变的中子，它仍然留下为什么刚好有两倍的下夸克被创造而不是上夸克这个问题”。

这是一个很好的问题，答案甚至比你可能想的还要深。让我们更仔细看看。

https://bigthink.com/wp-content/uploads/2021/11/Atom-Illustration.gif?w=777

每个原子在它的核中都有一个以上质子的原子是一个质子和中子结合在一起的混合物。总体而言，带正电的原子核对带负电荷围绕其运行的的电子以及每种元素固有的物理和化学性质负责。如果宇宙中质子和电子的数量不刚好相等，可能会产生一些令人着迷但可怕的后果。(Credit: U.S. Department of Energy)

首先，如果我们将它归结为亚原子粒子，只有两种贡献到宇宙的整体电荷的主要粒子种类：质子，它带正电，由带电夸克组成，以及电子，它是带负电的，目前已知它是基本的。正如我们所知，我们可观测的宇宙始于大约138亿年前的热大爆炸，并且有一个已经膨胀到直径约为920亿光年的大小。

因为我们知道宇宙的构成------即暗能量、暗物质、正常物质、中微子和光子的比率是多少------而且我们已经很好地测量了宇宙中物质的密度，我们能计算出一定存在的每种类型粒子的总数。总而言之，整个宇宙中存在大约10^80个质子，包括与原子核中结合的质子，有一个完全相同的电子的数量。

如果每个数字完全相等，并且电荷完全相等且相反，那么宇宙总体上是完美的电中性的。

在早期（左），光子从电子中散射出并且能量足够高来将任何原子敲回成一个电离状态。一旦宇宙足够冷却，并且没有这样的高能光子（右），它们不能与中性原子相互作用，而只是自由的流动，因为它们有来激发这些原子到更高的能级的错误波长。如果有比电子更多的质子或反之亦然，那么我们告诉我们自己可能会有一些重要但微妙的变化的宇宙故事。(Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

但事实必须如此吗？从理论上讲，有两种可能的来有一个总体上实际上拥有一个净电荷的宇宙的方式。

由质子拥有的总正电荷与由电子拥有的负电荷数量在幅度上可能是相差非常非常小。

总的来说，质子的数量可能与宇宙中存在的电子数量非常非常轻微的不同。

如果这些事情中的任何一个都是真的（或者如果它们都是真的），那么宇宙可能拥有一个净电荷，并且毕竟不会是电中性的。

这可能吗？从理论上讲，是的。我们知道有两种类型的对称性对物理宇宙有巨大的影响：全局对称性，它做像守恒重子数和轻子数之类的事情，以及规范对称性，它做一些比如守恒色荷或电荷的事情。我们的宇宙是由物质即重子和轻子而不是由不是反重子和反轻子的反物质组成的事实表明在某种程度上，这些全局对称性一定在过去某个点上被违反了。同样，过去可能有一个电磁规范对称性被打破的纪元，允许（暂时）违反电荷守恒，就像在大统一或更高维理论中一样。也有可能电磁规范对称性不准确，如果你允许光速可变，如果你随时间改变精细结构常数，如果你在标准模型中添加大质量光子以及其他调整这发生。

粒子物理学的标准模型考虑了四种力中的三种（引力除外），全套发现的粒子以及它们的所有相互作用。我们是否可以通过我们能在地球上建造的对撞机发现其他粒子和/或相互作用是一个有争议的话题，但仍有许多谜题仍未得到解答，例如用标准模型目前的形式观察到强的CP违规的缺乏。如果光子是大质量的，如果有额外的维度，或者如果电磁规范对称性不完美，我们也许能够违反电荷守恒定律。(Credit: Contemporary Physics Education Project/CPEP, DOE/NSF/LBNL)

但是，无论我们想在理论上承认什么，我们都必须用我们实际拥有的可观测宇宙来面对它。我们知道，仅仅有电流流动在小宇宙尺度上违反电荷守恒的地方是有可能的：允许电荷进入或移出一个空间区域。因此，我们能做的是观察某些电荷依赖的信号在空间中不同方向上如何相等的：在宇宙各向异性方面。从观察上看，我们发现以下的。

宇宙射线是令人难以置信的各向同性，起源于晚期，主要是现在的宇宙。它们告诉我们，如果今天存在电荷不对称，那么对于存在每10^29个电子和质子，它小于一个电子。

宇宙微波背景也是令人难以置信的各向同性，但它并非起源于今天。相反，我们从回到那时看到的剩余光最后从一个1089的红移或一个宇宙年龄约为38万岁的热电子和原子核基的等离子体发射。如果当时存在电荷不对称性，那么对当时存在的每10^29个电子和质子，它也小于一个电子。

最后，我们能观察轻元素的丰度，由于大爆炸核合成的物理学轻元素在早期极端早就出现了。这甚至发生在宇宙历史的更早：在最初的几分钟内或一个大约4亿的红移。在那个早期时代电荷不对称性甚至受到更严格的约束：当时对每10^32个电子和质子不超过一个电子。

电子和质子自由并与光子碰撞的宇宙，随着宇宙的膨胀和冷却，过渡到一个对光子透明的中性宇宙。这里显示的是CMB发射之前的电离等离子体（L），紧跟着是向一个对光子透明的中性宇宙（R）™的过渡。如果存在电荷不平衡，特征将导致宇宙微波背景辐射中的各向异性。(Credit: Amanda Yoho for Starts With A Bang)

換句話說，我們有來自現代的證據，從中性原子的形成，從宇宙至少幾乎是完美的電中性的原子核形成，，並且在所有三個時代都是。（因此，可能介于两者之间的所有时代。

但是，没有什么能规定宇宙在任何时候在所有尺度上都是电中性的。宇宙出生时有比电子更多的质子是可能的，反之亦然，即使一种类型过量于另一种类型是小的。换句话说，我们目前对更早时期发生的事情没有约束，也许宇宙现在只是电中性的？

虽然没有充分的理由认为它可能总体上是带电的，但从理论上讲，我们能做的是假设宇宙在某个早期的某个时候，要么有局部（局限于一个位置）或全局（发生在任何地方，在所有宇宙尺度上）电荷不对称，存在更多的正电荷或负电荷并应用物理定律来看看会发生什么。

宇宙微波背景中的冷点（以蓝色显示）本身并不更冷，而是代表由于物质密度更大而具有更大引力的区域，而热点（红色）只是更热，因为该区域的辐射生活在一个更浅的引力井中。随着时间的推移，超密度区域将更有可能成长为恒星、星系和星团，而低密度区域将不太可能这样做。质子/原子核和电子上的微分力能导致一个电荷分离和电流。(Credit: E.M. Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)(Credit: E.M. Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)

通常，当我们想到膨胀的宇宙时，想象一个充满物质（如果你愿意的话还有反物质）和辐射的小球体是一个有用的近似，它正在迅速膨胀，它也在引力。从概念上讲，你能把它看作是一场竞赛，最初的膨胀起来稀释密度并把所有东西分开的作用，而所有不同形式的物质和能量的引力都起把东西拉回到一起的作用。

无论谁获胜，你总是能预期膨胀会放缓，引力将试图重新坍塌宇宙，与此同时，过密区域将变得越来越密集，形成巨大的团块，而低密度区域将放弃它们的物质和能量给超致密区域，成为空无本身。

这是膨胀宇宙的标准图片，但只有当引力是唯一重要的力才起作用，并且原始的超密和过疏不完美在膨胀的宇宙的背景下是足够小的。

宇宙的预期命运（前三个插图）都对应于一个其中物质和能量的组合与初始膨胀率对抗的宇宙，在我们可观测到的宇宙中，宇宙加速被某种类型的暗能量造成，这是迄今为止无法解释的。如果你的扩张率继续下降，就像在前三种场景中一样，你最终能赶上任何东西。但是，如果你的宇宙包含暗能量，那就不再是这样了。(Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy)

现在，让我们改变这个等式，并添加要么更多数量的正电荷要么负电荷。故事会怎样变化？

为了简单起见，让我们假设我们有更多数量的正电荷。现在会发生什么？

如果你是电中性的，你感觉不到电力，因此没有什么不同的事情发生，你只是按随宇宙扩张密度稀释而你按照与存在的任何过密和过疏一起引力上结块。

然而，如果你带负电荷，你会看到你周围有更大密度的正电荷，因此你会体验到一个额外的与引力的方向相同的吸引力。正电荷将有效地“吸引你”，造成你的密度比中性物质更慢下降，因此负电荷将像中性量子做的那样挣同样，正电荷将围绕它们体验更大密度的正电荷，因此它们将体验一个额外的排斥力而不是引力。这使得正电荷被有效的“推了出去”，造成它们比其他种类的粒子更快的变得不密，有效的稀薄出它们的密度薄。

一个初始电荷不对称（红色）、一个初始电流（蓝色）以及作为一个红移函数从密度不完美的电荷分离（黑色）的阻尼因子。请注意抑制因子是巨大的，但对电流比在核合成前时间抑制因子大于电荷。(Credit: E.R. Siegel & J.N. Fry, UFIFT-AST-06-1, 2006/7)

这种情况多快发生呢？換句話說，如果宇宙要么生來就有要么獲得一个电荷失衡，对它要被扫荡掉需要多少時間它能坚持多久？

2007年的一项研究表明了对于电荷，与膨胀率比较这完全取决于阻尼率。如果你在早期有一个电荷不平衡，到当宇宙只有大约一纳秒老的时候，它被一个大约10万的因子阻尼，当宇宙大约一分钟老的时候，这个阻尼因子一路增加到一个大约几千万亿的因子。最后，它下降，但仍然在约100000标记以上，直到宇宙数十万年老：在宇宙微波背景被发射的时候。

换句话说，一个电荷不平衡不能在早期宇宙中生存，它被扫荡掉，因为“更大”密度的物种被稀释并更快的扩张，而“更少”密度的物种被更慢的稀释，允许密度来平衡。

电流表现得甚至更糟，在早期（核合成之前）被更强的扫荡掉，然后有电荷不对称一样的强度（核合成后）。

https://bigthink.com/wp-content/uploads/2022/04/dts_fig2.gif

等离子体振荡现象，其中更移动的带电粒子物种约某种平衡振荡，这里描述了相反类型电荷的大约一个球形分布。这对我们年轻宇宙中生长的密度不完美有影响。(Credit: V. Vyas & M.J. Kushner, University of Michigan, 2002)

这是否意味着宇宙被一种电中性状态驱动无论它怎样开始的，然后它呆着中性的，所有时间无论何处？

令人着迷的是，第一部分的答案似乎是肯定的，但对第二部分的答案是否定的。原因有点更复杂，但在前一年就已经算出：2006年。基本上，甚至当你把宇宙推向一个在所有尺度上的中性状态，电子和原子核随它们引力体验略有不同的效果。是的，它们都随着宇宙的膨胀扩张。是的，它们都有引力，并感觉到相等的引力。是的，它们甚至都体验相等和相反的电磁力，而这种体验平衡出去。

但它们彼此都有不同的质量，因此它们有不同的电荷质量比。一个质子的电荷质量比比一个电子更小1836倍，一个氦核的电荷质量比约比一个电子更小3646倍。因此，回到中性原子形成之前，由于光子存在推出在电子上的辐射压力比它推出在质子和原子核上的更有效。这创造一个小的电荷分离，从而导致等离子体振荡、电流以及小电荷不平衡和小磁场。在宇宙尺度上，它很小，但不能忽略不计。

https://bigthink.com/wp-content/uploads/2021/11/d41586-020-00590-8_17751692.gif?w=1172

这种一个中子星的计算机模拟显示带电粒子被一颗中子星的异常强大的电场和磁场鞭打。虽然中子星表现出一些已知最强的磁场，但它们没有被认为是解释当今宇宙中存在的星系尺度（和更大）磁场的候选者。(Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)

总的来说，你会期望一个小的电荷不平衡，在大约10^34分之1的数量级上被创造将扩展成星系一样的尺度。这也意味着微小的磁场在大约10^-24高斯的数量级上被印在将最终将长成星系的种子中。    这种微小的过量电荷不会坚持，“多余的”电荷被推到周边，并将成为填充星系之间空间的等离子体的一部分：温热的星系际介质。它只存在于局部尺度上并被预计在更大的宇宙尺度上变得不那么严重，下到现代宇宙地平线的尺度上约是10^46分之一的数量级。这远低于可探测性的极限，但无论你从一个完美的电荷对称的宇宙还是一个不完美的电荷对称的宇宙开始都应该发生。

但在很早时在星系（和更大的）尺度上被创造的磁场的事实，无论你是否从一个电荷不平衡开始都是深刻的。我们今天看到磁场几乎相当多的渗透到每个星系中，但不知道它们来自哪里。恆星產生磁場，但星系尺度的磁場在數百甚至數千光年的尺度上是相干的，遠大於單一恆星的尺度。炽热的电离气体和等离子体在星际介质中碰撞也产生磁场，甚至可能在恒星形成之前。但在更早的时候，这种电荷不对称和电流产生机制发生了，并且是在宇宙中在星系尺度（甚至更大）上产生磁场的第三个候选者。

总的来说，我们到一个高程度知道东西是电中性的。然而，与通常的情况一样，计算出这样一个问题的全部细节能揭示人们可能从未想象过的影响。我不是一个告诉物理学家来闭嘴的人，但从来没有借口不计算！

发送你的“问爱善”问题至 startswithabang at gmail dot com!

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-neutral/