為什麼物質比反物質多？

01-16

物質和反物質是一同誕生的，理論上二者存在的量應該是相同的，但為什麼我們觀測到的宇宙中物質遠多於反物質？

正好之前做過一個關於這個題目的簡單報告，就說一下。題主問的這個問題是一個很好的問題，也是目前物理學沒能很好解釋的一個問題，也算屬於前沿物理了。

最先提出「反物質」的是狄拉克（Dirac），他為了描述電子（自旋為1/2的粒子）的運動而提出了Dirac方程，通過解這個方程發現，每一種粒子（自旋1/2的粒子）都必定存在其對應的反粒子，反粒子和粒子的質量完全相同，但是電荷等屬性完全相反（注意與暗物質區分）。隨著理論和實驗的發展發現，不管自旋為多少，每一種粒子都有其對應的反粒子（特殊情況下，反粒子可以為其本身，如光子）。

單純的Dirac方程來看，物質和反物質的地位是完全等價的，不存在誰比誰更優先，兩者是互為反物質，也就是說，物質和反物質的產生和湮滅過程在統計上應該是平衡的，也就說二者存在的數量總和應該相等。但是天文觀測數據卻顯示，在可觀測的宇宙範圍內，二者嚴重失衡，只發現了正物質，沒有反物質。這種不平衡主要體現在正反重子的不平衡上。假設宇宙中有反物質存在的區域，那麼在正反物質的交界處會發生劇烈的湮滅，產生很強的伽馬射線，但是宇宙觀測中並沒有發現這種伽馬射線。其它的觀測也給出了相同的結果。

那麼從現有的理論上該怎麼解釋這個現象呢？1967年前蘇聯物理學家薩哈洛夫（Sakharov）就提出了動力學產生宇宙正反物質不對稱, 即重子數產生（baryogenesis）機制所需要的3個條件：

存在重子數不守恆的過程
C和CP對稱性的破壞
脫離熱平衡

重子數的定義：正物質重子數減去反物質重子數。第一條是很顯然的，若重子數守恆，那麼正反物質永遠是對稱的。第二條，C不對稱是正反粒子交換的不對稱，CP不對稱是正反粒子交換、左和右交換聯合的不對稱。只要C或CP中的任意一個對稱性存在，重子數破壞的反應過程就會產生相同數量的重子和反重子。第三條，由CPT 定理(T是時間反演)可知，正反粒子質量相等。如果處於熱平衡，重子與反重子將具有相同的熱分布, 因而會有相同的密度和數量。

為了實現這三個條件，多年來提出了很多具體的機制和模型。但是能否在現有的粒子物理標準模型（Standard Model，SM）實現呢？細緻的研究發現，標準模型能夠實現重子數破壞，也能脫離熱平衡，但是CP破壞無法滿足。標準模型中CP破壞有兩個來源，一個是弱電中的CKM矩陣，另一個是強相互作用（QCD）中出現的強CP破壞。但是定量的計算表明，這兩個破壞源都無法滿足Sakharov條件中所要求的破壞量級。另外，這還要求Higgs粒子的質量要小於45Gev，但是實驗已經測得其質量為125Gev。因此，現有標準模型存在不能解釋的問題，是一定要擴充的！

評論區要求，講一下重子數產生的bubble圖像。不過這個涉及到的細節很多，答主也不完全了解，因此下面的內容主要來源於文獻【1】。

在標準模型中，因為量子效應的存在導致的反常效應和非阿貝爾規範場真空的特殊性破壞了重子數，這種效應在低溫時是微不足道的，但當溫度高於電弱能標(大致對應於(100) GeV)時

，重子數破壞作用將處於熱平衡。這實現了第一個條件，CKM矩陣給出C和CP破壞實現第二個條件。第三個條件是通過一級電弱相變實現的。在宇宙初期，溫度很高，電磁相互作用和弱相互作用還處於統一狀態，電弱對稱性 $SU(2)_{L} imes U(1)_{Y}$ 還沒有破缺，此時還沒有凈重子數產生。隨著宇宙膨脹，溫度下降到大約100Gev以下時發生電弱相變，正反物質的不對稱性就發生在這個過程。這個過程分為三步:

在對稱相的等離子體中的某些地方會發生一級相變，出現破缺相，也就是出現了一個bubble，這個破缺相的bubble區域會逐漸膨脹，bubble壁與外面的對稱相中的離子發生碰撞，如果bubble壁前存在CP破壞因子，那麼壁前將產生粒子數密度的CP不對稱性；
CP不對稱性通過sphaleron過程產生比反重子多的重子；
bubble外產生的凈重子數隨著bubble的快速擴大被納入破缺相中。

如下圖所示：

（圖片來源於文獻【1】）

這個sphaleron過程在高溫下速率很快，而在低溫下，尤其是電弱破缺相中很慢，定量計算結果發現破缺相中的這個過程可以認為是0。

當然了，這個bubble機制雖然很漂亮，但是如之前所說，有些條件如CP破壞強度是達不到的。目前也有很多很多提出的新的機制和模型來解釋這個謎，具體就涉及到細節的計算了，估計不會有人想看。

參考文獻

【1 】黃髮朋, 李明哲, 顧佩洪, 張新民. 宇宙正反物質不對稱的起源. 科學通報，2016年第61卷第11期：1151 ~ 1156

放上這篇文章的鏈接，有喜歡的可以看一下

http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kjqy/201606/W020160605666521636754.pdf

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如果喜歡我的答案，請關注喲~

我記得這個問題是宇宙十大終極問題之一，真有人能答出來就是諾獎了。這裡只在我的專業領域給出一個備選答案：

因為中微子。

現在主流的中微子實驗基本都是在研究一個題目：Neutrinoless Double Beta Decay. 這個現象指的是兩個同時發生的beta decay不產生任何中微子。這個現象存在的理論依據是中微子有可能是Majorana Particle，而Majorana Particle的特性是他本身就是自己的反粒子。

一般意義上的物質和反物質是由粒子和反粒子構成。而我們平時接觸比較多的粒子都是Dirac粒子。Dirac粒子的反粒子是通過對波函數取Complex Conjugate 得到的。而Majorana Particle的波函數則是實數，故而他的Complex Conjugate-即反粒子就是他本身。

所以我們可以想像，宇宙大爆炸初，產生了質量相同的物質和反物質，以及大量中微子。而我們知道中微子是有質量的，雖然非常小。這些中微子就成為了「壓死駱駝的最後一根稻草」。

比較專業的解釋，前文已經有了。

只是，有一個類似的問題，是關於各種物理常數的，也就是說，為什麼在我們現在的這個宇宙裡面，那些物理常數的數值那樣湊巧的好呢？

其中有一派的觀點是所謂的人擇原理：如果那些常數不恰好取成現在的這些值的話，就不會產生地球，更不會產生人類這樣的生物，也就沒有人會提出這樣的問題了。

類似的，回答物質和反物質的問題。我猜，大概如果沒有早期諸如CP破缺等等的話，大概也不會有現在這個充滿正物質的宇宙，也就不會有人會去思考這個問題了。

最後，P和CP破缺是個很深的大問題。。。

都被人民警察阻擋在我們的生活之外了

雖然回答物理問題顯得有點民科，不過我想越是底層的定理，越是通用而絕不會錯。只要不去隨意擴大解釋範圍。

研究社會學，是不可能違背生物學的。生物學的理論，也是不能違反物理和化學的。同樣，物理現象也可以從底層找原因，特別是這種形而上的命題，更要從哲學角度去理解。

我認為物理學的底層是物質系統的組合，可以抽象成為在數學上以概率方式存在的複雜系統。

複雜系統很可能具有一種特性，我把它稱之為「二元結構的非對稱性」。

為什麼這麼說？首先我們開一個小小的腦洞，作一個貌似合理的假設：超大數量的複雜系統的組合，所展現出的性質，將會很大程度上類似於超大數量的簡單系統的組合。也就是說，非常多個複雜系統所組成的更加複雜的系統，類似於非常多個簡單系統所組成的複雜系統。甚至還可以進一步推論：不論兩個物體有多麼不同，一旦它們各自的數量相同且足夠大，並且形成了穩定系統，那麼這兩個系統是極為相似的。

形象的比喻一下，細胞是由很多分子構成的，人是由很多細胞構成的，人和細胞同為複雜系統，具有很多相似的特性，都會尋找食物，複製自身，儘管複雜度完全不一樣。同樣的，人類所組成的社會，和細胞所組成的人，也具有驚人的相似性。待續。

不懂物理的我，相當喜歡人擇理論。

如果正反物質一樣多，都湮滅了，那就沒有我們來思考這個問題了。

所以，必定有一個物質多。

多出來的，就被叫做正物質。

回答完畢。

如果題主還不滿意，要繼續追問，

那到底是什麼原因導致了一個多呢。。。

我會回答，宇宙常數什麼的其實都是隨機的，

而我們現在這個宇宙配置，恰恰好能有人。

其他配置，都沒有人。

我們存在，所以他是現在這個配置。

他是其他配置，那就沒有我們了。

他就是隨機的。

只是我們存在，才成了必然。

才有了其他答主的回答。

因為暗物質更多

不然呢？你以為這是科瓦德？

私以為是倖存者偏差。正反物質遇到後會發生湮滅，爆發出的能量是核反應的數十倍，既然我們的世界是正物質構成，附近自然不會有大量反物質了。也許宇宙有的部分是由反物質組成的呢，在那裡自然也不會觀測到正物質了。

理論上相同？請問是什麼理論？不要想當然好嗎？