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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 六、恼人的不对称之谜
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既然我们所生活的宇宙是一个正反物质不对称的宇宙，那么一个很自然的问题就产生了，那就是为什么会出现这种不对称？对此，科学家们曾经有过两类不同的看法。其中第一类看法认为正反物质的不对称是由初始条件决定的，或者说是“先天”造就的。显然，这类看法比较消极，几乎等于是回避问题。令人欣慰的是，这种“偷懒”的看法在暴胀宇宙论出现后受到了沉重的打击。因为按照暴胀宇宙论，宇宙创生之初即便存在正反物质的不对称，也会在暴胀过程中被稀释得微乎其微。因此初始条件并不能对今天观测到的正反物质的不对称给出令人满意的解释。
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既然初始条件不足以解释正反物质的不对称，那我们就只能寄希望于宇宙创生之后所发生的具体物理过程了，这就是第二类看法。这类看法认为我们今天观测到的正反物质的不对称是由某些特定类型的物理过程产生的。
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那么，究竟什么样的物理过程才能造成正反物质的不对称呢？早在1967年，苏联氢弹之父萨哈洛夫就提出了那样的物理过程所需满足的三个条件：
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（1）必须破坏费米子数守恒；
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（2）必须破坏C和CP对称性；
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（3）必须破坏热平衡。
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这些条件后来被称为萨哈洛夫条件（Sakharov conditions），是任何能够产生正反物质不对称的物理过程或物理理论所必须满足的。
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萨哈洛夫条件中的第一条提到的费米子是组成物质的基本粒子，比如电子、质子和中子（进一步细分的话，质子和中子是由夸克组成的，而夸克也是费米子）。所有费米子的费米子数都是正的，而反费米子的费米子数则是负的。如果宇宙中的正反物质完全对称，那么总费米子数将是零。由于我们的宇宙中普通物质远比反物质多，因此总费米子数是正的。任何物理过程或物理理论要想让宇宙从正反物质完全对称（从而总费米子数为零）的状态演化到如今这个费米子数为正的状态，就必须改变总费米子数，从而必须破坏费米子数守恒。
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萨哈洛夫条件中的第二条提到的C和CP对称性分别是基本粒子层次上的正反粒子对称性及正反粒子与宇称联合对称性。其中正反粒子对称性要求将一个物理过程中的所有粒子替换成相应的反粒子时，过程发生的几率不变。正反粒子与宇称联合对称性则是指在上述替换的同时再将物理过程换成它的镜像（好比是透过一面反射镜去看它）时，过程发生的几率也不变。这两个对称性之所以必须被破坏，是因为否则的话，任何可以造成物质多于反物质的物理过程都会伴随一个与它同样可能的、造成反物质多于物质的过程（即上述替换过程），这样两类过程的效果将会相互抵消。
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最后，萨哈洛夫条件中的第三条之所以必须满足，是因为否则的话，任何可以造成物质多于反物质的物理过程都将与处在热平衡的逆过程相互抵消。
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这三个条件虽被称为萨哈洛夫条件，不过萨哈洛夫本人在其长度只有三页的短文中其实并未如此鲜明地表述过这三个条件，这些条件是后人依据他的思路所归纳及重新表述的。
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在这三个条件的基础上，物理学家们提出了许多理论模型，试图对正反物质不对称的起源作出定量解释。这些模型从相对简单的电弱统一理论（它是粒子物理标准模型的一部分），到各种各样的大统一理论，以及标准模型的超对称推广，种类繁多、应有尽有。但迄今为止，它们各自都存在一定的缺陷，或是结果的数量级不对，或是求解的困难度太大、或是过于特设、或是过于任意，尚无一个令人满意。不过尽管如此，现代物理为正反物质的不对称找到一个合理解释的前景看来是并不悲观的。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 七、结语
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我们有关反物质的介绍到这里就要结束了，虽然自人类发现反粒子迄今已有大半个世纪，但在理解物质与反物质的关系上还存在许多待解之谜。除了宇宙学尺度上正反物质的不对称外，在微观尺度上正反粒子也存在着令人困惑的不对称。物理学家们曾经认为，如果我们把一个微观物理过程中的所有粒子都替换成相应的反粒子，并且透过一面镜子去看它，那么我们所看到的新过程将与原过程有着相同的发生几率。这种对称性就是我们介绍萨哈洛夫条件时提到的CP对称性。由于这种对称性，反物质有时也被称为镜像物质。但令人困惑的是，这一对称性既非完全成立，也非完全不成立，而是非常接近成立[6]。大自然为什么要让这面特殊的镜子如此接近完美却又不让它真正完美呢？我们不知道。
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反物质是宇宙中的稀客，但这稀客是从相对意义上讲的，宇宙中反物质的绝对数量依然是极其庞大的，足以为科幻小说留下巨大的驰骋空间，这是值得庆幸的。只不过，反物质星球的存在看来是极不可能的，因为没有任何天然的物理过程能够让反物质有效地汇集起来，并在这一过程中免遭普通物质的“致命骚扰”。而反物质生物的存在则比反物质星球更加不可能得多，因为即便存在反物质星球，在那种星球上要想演化出生物来也是难以想象的。我们知道，即便在距离太阳系的形成已有约50亿年、太阳系空间已相当“干净”的今天，地球每天仍会受到上千万次的陨石撞击（这些陨石绝大多数在大气层中烧毁，只有少数落到地上，因此我们不必担心它们会恰好砸在我们头上），这些陨石的总质量约有几吨。这样的质量相对于庞大的地球来说无疑是微乎其微的，但同样的情形如果发生在一颗反物质星球上，那么这几吨的陨石（普通物质）与星球上的反物质湮灭所释放的能量将相当于上百万颗广岛原子弹爆炸所释放的能量[7]。要在一个每天被上百万颗原子弹轰击的星球上产生生物，这恐怕是最高级的想象力也难以胜任的。
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因此，如果有朝一日我们与某种外星球的高等生物建立了联系，我们可以大大方方地伸出手去和他们相握（如果握手对他们来说也代表友善的话），而不必担心大家会在这样的亲密接触中相互湮灭[8]。
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2007年5月4日写于纽约
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2014年10月23日最新修订
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[1]比狄拉克稍早，瑞典物理学家克莱因（Oskar Klein）、德国物理学家高登（Walter Gordon）及奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）也提出了一个试图融合量子力学与相对论要求的方程：克莱因-高登方程（Klein-Gordon equation）。但克莱因-高登方程具有一些当时看来比狄拉克方程更令人不易接受的特征，延后了它被真正重视的时间。
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[2]其实在经典相对论力学中也存在负能量状态，但在经典情况下我们可以摒弃负能量状态而不用担心它们对正能量状态产生影响，因为这两者之间存在一个非零的间隙（请读者想一想，对电子来说这一间隙有多大），而经典的物理过程都是连续的，从而不可能跨越这一间隙。
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