为什么宇宙正在缺失一半？

对这个问题的答案是来理解为什么任何东西存在的关键。

HARD SCIENCE — NOVEMBER 30, 2022

Don Lincoln

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关键要点

当宇宙开始时宇宙中充满了能量。因为能量能转化为物质和反物质，随宇宙冷却能量应该已经弄成了物质和反物质的相等部分。

然而，当我们看围绕我们的时我们被留下一个令人困惑的观察：我们看的宇宙单被物质弄成的。对这个基本的不对称没有解释。

理解为什么宇宙被以更多物质而不是反物质创造是理解为什么任何东西存在的关键。

科学家们知道了一个异域东西的惊人数量。例如，我们知道宇宙几乎在140亿年前在一个叫大爆炸的灾难性事件中开始了。大爆炸发生的第一个实验证据被在1929年报告，而这个情况在上个世纪中被加强。它发生了没有可信的怀疑。

我们还知道，除了构成你和我的普通物质形式外，存在一种叫反物质的异域形式，它有当它接触到普通物质时彼此在一个惊人的大能量闪光中湮灭的属性。真的，当一克反物质被带入与一克物质接触时会释放约像1945年摧毁广岛的原子弹一样多的能量。

虽然结合物质和反物质能创造能量，但逆之也是真的。能量能创造等量的物质和反物质。反物质被在1931年首次观察到，再一次这种情况只已经被加强了。反物质的存在已被充分好的接受，这样它在丹·布朗的畅销小说《天使与恶魔》中扮演了一个突出的（而且有点现实的）角色。

与反物质的问题

虽然提供大爆炸和反物质存在的数据都只是压倒性的，但有一个问题。当人把这两个事实结合时一个令人困惑的秘密发生：它们不能同时的是真的，或者至少这个故事是不完整的。

这里是这个问题。当宇宙开始了时宇宙中充满了能量。能量能转化为物质和反物质。随着宇宙膨胀和冷却，所有这些能量应该已经弄成等量的物质和反物质。然而当我们看我们的四周时，我们被留下了一个令人困惑的观察：我们看到的宇宙只被物质弄成。

它在一个远的遥远的星系中吗？

一个常见的建议是也许反物质刚好在宇宙中“在那里”存在。毕竟，如果物质和反物质不接触没有问题。原则上，月球可以是反物质。然而，我们知道这不是真的。例如，因为尼尔·阿姆斯特朗和整个月球着陆器都是由物质做成的，如果月球被反物质弄成，当宇宙飞船碰到了月球的表面时会已经是一个巨大的爆炸。但这没有发生，因此我们知道月球是由物质弄成的。

其他行星天体的探索造成我们的宇宙邻居同样的结论：太阳系被物质弄成。但关于其它恒星呢？我们能肯定银河系中的其他恒星也被物质弄成。

像我们的太阳这样的恒星恒定的发射粒子，在我们的行星系统中叫“太阳风”。基本上，它由来自太阳飞进星际空间的原子组成。

如果那里存在反物质恒星，它们会射出反物质原子，而物质和反物质原子会在恒星之间的深处混合。偶尔，物质原子和反物质原子会接触并湮灭。当这种情况发生了时，结果将是一种非常特殊形式的伽马辐射（它就像非常高能的x射线一样）。

因为没有探测到这样的伽马辐射，我们确定其他的恒星也被物质弄成。同样的原理排除反物质星系的存在。在星系之间的星系间空无中，围绕星系的气体云会接触，我们会知道是否一个物质和反物质云聚集在了一起。

因此所有的反物质在哪里呢？

如果我们没有被物质和反物质星系存在的可能性拯救我们在哪里呢？我们被留下不知怎的当这个宇宙开始时有比反物质更多的物质的非常奇怪的可能性。真的，这似乎是这种情况。

证据表明在宇宙历史的非常早期，在它开始后不到1秒，对每20亿个反物质粒子有20亿个和1个物质粒子。20亿个物质和反物质粒子彼此湮灭了，留下一个物质粒子与所有其他剩下的物质粒子结合起来构成我们现在看围绕我们的物质。

当物质和反物质湮灭了时释放出的能量无处不在。我们视这个为一个叫宇宙微波背景辐射（CMB）的无线电波沐浴。正是通过测量宇宙微波背景辐射而计算宇宙中的质子物质与反物质的比率被确定。

一个不对称的秘密

在早期宇宙的物质和反物质中可能有一个微小的不平衡是怎样可能的呢？我们确实不知道，但科学家们有一些想法。

例如，在20世纪60年代，科学家们发现了这个宇宙稍微偏爱某些亚原子物质粒子而不是它们的反物质等价物。这些粒子叫做夸克。然而，夸克和反物质夸克之间的差异并不足以来解释这个宇宙，因此研究人员有另一个想法。

中微子是以某些形式的放射性衰变产生的一种非常低质量的粒子，而附近最大的中微子产生者是我们自己的太阳。研究人员正在建造粒子加速器和探测器来研究中微子和反物质中微子的行为来看是否它们是不同的。如果中微子和反物质中微子不一样的行动，这可能是对这个秘密的答案------这可能意味着我们的宇宙经由轻粒子创世（“从低质量粒子创造”）形成。

虽然有几个设施正在被建造来研究这种可能性，但在美国最大的一个被称为深地下中微子实验（DUNE）。在这个实验中，来自芝加哥附近费米实验室的研究人员将把中微子和反物质中微子发射到一个在1300公里外南达科他州等待的探测器。深地下中微子实验应该在本十年后期开始运作。（完全披露：我是费米实验室的一名研究员，尽管我不是深地下中微子实验的成员）。

虽然没有人知道为什么这个宇宙偏爱物质而不是反物质，但这是一个重要的问题。没有这种微小的不平衡（或不对称），我们只是不会存在。因此，如果我们想理解为什么星系、恒星和我们人类忍受着这是一个我们需要来回答的问题。

https://bigthink.com/hard-science/matter-antimatter-half-universe-missing/