宇宙为啥是主要是物质，而不是反物质？----从狄拉克反粒子，李政道杨振宁的宇称守恒破坏，到萨哈罗夫的理论

问题的起因

宇宙起源的大爆炸后，应该产生同等量的物质和反物质，可是我们的宇宙主要是物质，而不是反物质，如果反物质量多了，物质和反物质经常相遇，就要发生湮灭，我们就无法生存。那么物资为啥比反物质要多很多很多呢？这个问题的第一个理论解释，是萨哈罗夫在1967年提出的。

先说一点物质和反物质

1928年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。其中出现一个矛盾，1930年狄拉克提出空穴理论来解决这个矛盾。这时狄拉克就从理论上预言了正电子，也就是第一个反粒子。1932年美国物理学家安德森(Carl David Anderson)在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实．对于电子来说，正负电荷具有对称性．

所有的粒子都有相应的反粒子。反粒子组成的世界就是反物质世界。大爆炸后应该产生同等量的粒子和反粒子，物质和反物质，可是我们观察到的物质要大大多于反物质。这是为啥？为了理解萨哈罗夫的解释，咱还得了解一下对称性的问题。

再说一点对称性

粒子世界有三个基本的分立变换：一个是粒子和反粒子互换的正反粒子变换，简称C变换；一个是空间三个坐标轴都反向的空间（镜象）反射变换 ，简称P变换；一个是时间反演变换 （把时间颠倒，将t变成－t），简称T变换。

最初认为物理定律在这三个变换时都是守恒的。可以叫C守恒（charge-conjugation电荷共轭守恒，反映了正反粒子变换的不变性，把参与一个过程的所有粒子换成相应的反粒子时，其物理规律不变）,P(parity)守恒 （宇称守恒反映了镜象反射的不变性，把一个过程换成它的镜象过程后仍然遵从原来的规律），和T（time）守恒 （如果时间倒转，物理规律不变）。物理学家长期认为C，P，T守恒定律和能量、动量以及动量矩守恒定律一样，都是粒子物理学中的基本定律。

首先被打破的是P守恒。1956年前后，在对最轻的奇异粒子衰变过程的研究中遇到了所谓“θ-τ疑难”．1956年李政道和杨振宁分析了与θ-τ疑难有关的全部实验和理论工作之后指出，这个疑难的关键在于认为在微观粒子的运动过程中宇称是守恒的．他们指出，在强相互作用和电磁相互作用过程中宇称守恒是得到了实验的判定性检验的，但是在弱相互作用过程中宇称守恒并没有得到实验的判定性检验．李政道和杨振宁提出，这个疑难产生的原因在于弱相互作用过程中宇称可以不守恒．他们进一步建议可以通过钴60的衰变实验来对这一点进行判定性检验．1957年吴健雄等精确地进行了这个实验，证实了他们的理论。

P宇称在强相互作用和电磁相互作用过程中是守恒的，但是在弱相互作用过程中不守恒。但是当时认为，即使在弱相互作用中，在正反粒子变换（C）和空间反射（P）变换两个变换联合变换（即CP变换）时，物理规律仍然是不变的。1964年，芝加哥大学的克罗宁（James W.Cronin，1931—）和美国新泽西州普林斯顿大学的菲奇（Val L.Fitch，1923—）及合作者克里斯坦森（James H. Christenson）和特莱（Rene Turley）在美国布鲁克海文国家实验室做的实验首先发现弱相互作用中两起破坏CP守恒（CP violation）的事例 。他们用这个实验室的交变梯度同步加速器，从加速器射出的能量为30GeV的质子束轰击铍靶，他们研究中性K-介子衰变，观测结果发现CP守恒破坏。进一步的研究表明，弱相互作用中CP破坏的部分只占千分之二．以后CP破坏在K-介子衰变还观测到，但是直到2001年才在另外一个粒子（B介子）中观测到。这是在斯坦福大学线性加速器的BaBar检测器做出来的（美国、英国、德国、加拿大、中国、俄国、法国、意大利、挪威九个国家，73个机构，600多个人，一千二百吨重）。B介子和反B介子比质子重5倍，瞬间存在（10^－12秒）, BaBar上观测到了B介子和反B介子的差别。费米实验室、日本国家高能加速研究实验室也有类似发现。

为什么在弱相互作用中会有CP破坏，为什么CP破坏的部分只占千分之二，CP破坏的机理，是现代物理研究的重要课题之一。

还有一个更联合的守恒：CPT守恒，即在正反粒子变换、空间反射变换、时间反演变换的联合作用之下，满足因果关系和自旋统计关系的点粒子的运动规律是不变的。这里就不谈了。

回到萨哈罗夫的理论

1964年当时发现的CP破坏的几率是很小的。怎么出现的不知道，有啥意义也不清楚。而1967年萨哈罗夫提出的理论，就赋予了CP破坏很大的意义。萨哈罗夫提出，如果满足三个条件，就能解释为啥咱们现在的宇宙里面物质大大多于反物质。

第一：质子必需是不稳定的。第二：有些相互作用必须破坏C和CP守恒，这样才有可能是宇宙从最初物质和反物质完全平衡的状态失去平衡。第三：宇宙必须经过一个极快的膨胀期，如果不这样，同等质量的物质和反物质会有同等密度。

如果宇宙这样形成物质和反物质的非对称性，余下的反物质就会在宇宙形成过程不断湮灭，主要留下今天咱们看到的物质和辐射。

也可以这样说：大爆炸的最初瞬间，咱们现在看到的各种基本粒子原为一个χ粒子，重约为铝原子核的1万亿倍。随宇宙冷却，χ粒子衰变，由于C和CP不守恒，而变成的粒子和反粒子，形成了10亿零1对10亿的比例。当它们相互湮灭化成γ射线后，留下的仅是1个的粒子，咱看到的宇宙也就由它们所构成，看不到反物质世界。萨萨哈罗夫的理论，也解释了为啥宇宙充满微波背景辐射，而且也正好是10亿个光子对一个物质粒子。

萨哈罗夫的贡献

萨哈罗夫的这篇论文，相当有洞察性，建立了物质宇宙的基本理论框架。CP破坏也有许多代物理学家从理论和实验上在研究。比如 Kobayashi 和 Maskawa，Pati a和 Salam, Georgi 和 Glashow，Yoshimura，Fukugita 和 Yanagida等的理论研究。实验上丁肇中和Richter的the J/psi粒子，欧洲CERN,美国费米实验室、斯坦福线性加速器等等有许多实验物理学家做的工作和这些有关。萨哈罗夫的思想是其非常重要的里程碑。

萨哈罗夫1967年对宇宙起源的理论贡献，目前看来比一些得过诺贝尔奖的工作还重要。而且，他提出的时候，是一个思想的飞跃。当时研究和探讨CP violation都是在粒子物理，而萨哈罗夫首先意识到、并提出这可以解释宇宙是物质而不是反物质组成。他的先驱理论，当时不是马上被接受。但以后不断发展，指导目前非常活跃的领域。

一个题外话

物理学的不对称性和生物学里的手性（chirality）有没有关系，也是有人在想的，不过没有啥结论。生物手性比如：生物体自然氨基酸主要是L构型，核苷酸的糖环都是D构型。生物手性的起源目前还不清楚。也许要等第二个萨哈罗夫？

萨哈罗夫简介俄国物理学家萨哈罗夫（Andrei Sakharov）在氢的冷聚变热核反应、宇宙射线研究和基本粒子研究中有很大的贡献。他1921年出生，1948年得博士，很快成为苏联核武器工程计划的首席理论家，是“氢弹之父”。1953年不到32岁的萨哈罗夫当选为苏联科学院最年轻的院士。1957年起，他开始过问社会问题，最初特别是担心核试验的污染环境。1958年他第一次向苏联政府提出取消当年的大气层核试验计划，遭到政府拒绝。1961年和1962年，他又上书赫鲁晓夫建议停止大气层核试验，意见被拒绝。以后逐渐从反对核试验演变成了持不同政见者。

萨哈罗夫原文出处

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