宇宙為啥是主要是物質，而不是反物質？----從狄拉克反粒子，李政道楊振寧的宇稱守恆破壞，到薩哈羅夫的理論

問題的起因

宇宙起源的大爆炸後，應該產生同等量的物質和反物質，可是我們的宇宙主要是物質，而不是反物質，如果反物質量多了，物質和反物質經常相遇，就要發生湮滅，我們就無法生存。那麼物資為啥比反物質要多很多很多呢？這個問題的第一個理論解釋，是薩哈羅夫在1967年提出的。

先說一點物質和反物質

1928年英國物理學家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)提出了一個電子運動的相對論性量子力學方程，即狄拉克方程。其中出現一個矛盾，1930年狄拉克提出空穴理論來解決這個矛盾。這時狄拉克就從理論上預言了正電子，也就是第一個反粒子。1932年美國物理學家安德森(Carl David Anderson)在宇宙線實驗中觀察到高能光子穿過重原子核附近時，可以轉化為一個電子和一個質量與電子相同但帶有的是單位正電荷的粒子，從而發現了正電子，狄拉克對正電子的這個預言得到了實驗的證實．對於電子來說，正負電荷具有對稱性．

所有的粒子都有相應的反粒子。反粒子組成的世界就是反物質世界。大爆炸後應該產生同等量的粒子和反粒子，物質和反物質，可是我們觀察到的物質要大大多於反物質。這是為啥？為了理解薩哈羅夫的解釋，咱還得了解一下對稱性的問題。

再說一點對稱性

粒子世界有三個基本的分立變換：一個是粒子和反粒子互換的正反粒子變換，簡稱C變換；一個是空間三個坐標軸都反向的空間（鏡象）反射變換 ，簡稱P變換；一個是時間反演變換 （把時間顛倒，將t變成－t），簡稱T變換。

最初認為物理定律在這三個變換時都是守恆的。可以叫C守恆（charge-conjugation電荷共軛守恆，反映了正反粒子變換的不變性，把參與一個過程的所有粒子換成相應的反粒子時，其物理規律不變）,P(parity)守恆 （宇稱守恆反映了鏡象反射的不變性，把一個過程換成它的鏡象過程後仍然遵從原來的規律），和T（time）守恆 （如果時間倒轉，物理規律不變）。物理學家長期認為C，P，T守恆定律和能量、動量以及動量矩守恆定律一樣，都是粒子物理學中的基本定律。

首先被打破的是P守恆。1956年前後，在對最輕的奇異粒子衰變過程的研究中遇到了所謂“θ-τ疑難”．1956年李政道和楊振寧分析了與θ-τ疑難有關的全部實驗和理論工作之後指出，這個疑難的關鍵在於認為在微觀粒子的運動過程中宇稱是守恆的．他們指出，在強相互作用和電磁相互作用過程中宇稱守恆是得到了實驗的判定性檢驗的，但是在弱相互作用過程中宇稱守恆並沒有得到實驗的判定性檢驗．李政道和楊振寧提出，這個疑難產生的原因在於弱相互作用過程中宇稱可以不守恆．他們進一步建議可以通過鈷60的衰變實驗來對這一點進行判定性檢驗．1957年吳健雄等精確地進行了這個實驗，證實了他們的理論。

P宇稱在強相互作用和電磁相互作用過程中是守恆的，但是在弱相互作用過程中不守恆。但是當時認為，即使在弱相互作用中，在正反粒子變換（C）和空間反射（P）變換兩個變換聯合變換（即CP變換）時，物理規律仍然是不變的。1964年，芝加哥大學的克羅寧（James W.Cronin，1931—）和美國新澤西州普林斯頓大學的菲奇（Val L.Fitch，1923—）及合作者克里斯坦森（James H. Christenson）和特萊（Rene Turley）在美國布魯克海文國家實驗室做的實驗首先發現弱相互作用中兩起破壞CP守恆（CP violation）的事例 。他們用這個實驗室的交變梯度同步加速器，從加速器射出的能量為30GeV的質子束轟擊鈹靶，他們研究中性K-介子衰變，觀測結果發現CP守恆破壞。進一步的研究表明，弱相互作用中CP破壞的部分只占千分之二．以後CP破壞在K-介子衰變還觀測到，但是直到2001年才在另外一個粒子（B介子）中觀測到。這是在斯坦福大學線性加速器的BaBar檢測器做出來的（美國、英國、德國、加拿大、中國、俄國、法國、意大利、挪威九個國家，73個機構，600多個人，一千二百噸重）。B介子和反B介子比質子重5倍，瞬間存在（10^－12秒）, BaBar上觀測到了B介子和反B介子的差別。費米實驗室、日本國家高能加速研究實驗室也有類似發現。

為什麼在弱相互作用中會有CP破壞，為什麼CP破壞的部分只占千分之二，CP破壞的機理，是現代物理研究的重要課題之一。

還有一個更聯合的守恆：CPT守恆，即在正反粒子變換、空間反射變換、時間反演變換的聯合作用之下，滿足因果關係和自旋統計關係的點粒子的運動規律是不變的。這裡就不談了。

回到薩哈羅夫的理論

1964年當時發現的CP破壞的幾率是很小的。怎麼出現的不知道，有啥意義也不清楚。而1967年薩哈羅夫提出的理論，就賦予了CP破壞很大的意義。薩哈羅夫提出，如果滿足三個條件，就能解釋為啥咱們現在的宇宙裡面物質大大多於反物質。

第一：質子必需是不穩定的。第二：有些相互作用必須破壞C和CP守恆，這樣才有可能是宇宙從最初物質和反物質完全平衡的狀態失去平衡。第三：宇宙必須經過一個極快的膨脹期，如果不這樣，同等質量的物質和反物質會有同等密度。

如果宇宙這樣形成物質和反物質的非對稱性，餘下的反物質就會在宇宙形成過程不斷湮滅，主要留下今天咱們看到的物質和輻射。

也可以這樣說：大爆炸的最初瞬間，咱們現在看到的各種基本粒子原為一個χ粒子，重約為鋁原子核的1萬億倍。隨宇宙冷卻，χ粒子衰變，由於C和CP不守恆，而變成的粒子和反粒子，形成了10億零1對10億的比例。當它們相互湮滅化成γ射線後，留下的僅是1個的粒子，咱看到的宇宙也就由它們所構成，看不到反物質世界。薩薩哈羅夫的理論，也解釋了為啥宇宙充滿微波背景輻射，而且也正好是10億個光子對一個物質粒子。

薩哈羅夫的貢獻

薩哈羅夫的這篇論文，相當有洞察性，建立了物質宇宙的基本理論框架。CP破壞也有許多代物理學家從理論和實驗上在研究。比如 Kobayashi 和 Maskawa，Pati a和 Salam, Georgi 和 Glashow，Yoshimura，Fukugita 和 Yanagida等的理論研究。實驗上丁肇中和Richter的the J/psi粒子，歐洲CERN,美國費米實驗室、斯坦福線性加速器等等有許多實驗物理學家做的工作和這些有關。薩哈羅夫的思想是其非常重要的里程碑。

薩哈羅夫1967年對宇宙起源的理論貢獻，目前看來比一些得過諾貝爾獎的工作還重要。而且，他提出的時候，是一個思想的飛躍。當時研究和探討CP violation都是在粒子物理，而薩哈羅夫首先意識到、並提出這可以解釋宇宙是物質而不是反物質組成。他的先驅理論，當時不是馬上被接受。但以後不斷發展，指導目前非常活躍的領域。

一個題外話

物理學的不對稱性和生物學裡的手性（chirality）有沒有關係，也是有人在想的，不過沒有啥結論。生物手性比如：生物體自然氨基酸主要是L構型，核苷酸的糖環都是D構型。生物手性的起源目前還不清楚。也許要等第二個薩哈羅夫？

薩哈羅夫簡介俄國物理學家薩哈羅夫（Andrei Sakharov）在氫的冷聚變熱核反應、宇宙射線研究和基本粒子研究中有很大的貢獻。他1921年出生，1948年得博士，很快成為蘇聯核武器工程計劃的首席理論家，是“氫彈之父”。1953年不到32歲的薩哈羅夫當選為蘇聯科學院最年輕的院士。1957年起，他開始過問社會問題，最初特別是擔心核試驗的污染環境。1958年他第一次向蘇聯政府提出取消當年的大氣層核試驗計劃，遭到政府拒絕。1961年和1962年，他又上書赫魯曉夫建議停止大氣層核試驗，意見被拒絕。以後逐漸從反對核試驗演變成了持不同政見者。

薩哈羅夫原文出處

Andrei Sakharov (1967): Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 5:32-35.