科學家認爲宇宙中存在反物質，那麼反物質哪裡去了？

大爆炸理論通過已知的物理法則，準確的建構了宇宙在遙遠過去的模型，由此外推並對當前我們所看到的宇宙現象做出了預測，並取得了巨大的成功。這個不斷膨脹、冷卻着的宇宙不僅在數十億年間孕育了無數恆星、星系、星系團及其大尺度結構，還具有一個讓人驚訝的特性，那就是每當我們望向它的越深越遠之處，就等於在查看年代越久遠的歷史照片。

我們觀察那些遙不可及的星系和星系團時，看到的不僅是它們隨着宇宙的哈勃膨脹現象而離我們遠去，還有這些天體在宇宙年輕時和未經充分演化時的樣子。這意味着一大堆事情，而且其中很多都已經從觀測上得到了驗證。

宇宙恆星、星系的演化

如果我們看到的宇宙更深處不僅溫度和密度更高，而且也更年輕，那麼當我們觀察宇宙的更早期存在什麼的時候，應該會看到很多的事情。在遙遠的過去，因爲還沒有足夠的時間，所以大型併合事件更少，引力坍縮事件也更少，而星系團的各個成員星系之間的距離也比後來更遠。

我們也應該能看到那時宇宙的背景輻射溫度比今天觀察到的開氏2.725度要高。我們還應該會看到那些遙遠的恆星和星系的重元素含量不如現在，因爲那時的宇宙還來不及讓恆星演化足夠多的世代。循此思路一直下去，如果能回望足夠遠的歷史，應該還能發現真正最原始的星際氣體雲。那時的宇宙還沒有任何一顆恆星誕生，也就更沒有恆星死亡，從而也不會被恆星演化所產生的重元素給“污染”。

宇宙歷史中這些順理成章的演化鏈條，全都始於大爆炸，始於過去的宇宙比今天的更熱、更緻密，其膨脹速度也比今天更快這一事實。大爆炸理論剛被提出時，其預言還沒有任何觀察事實可以佐證，如今我們卻看到這些預言和其他許多科學猜測一樣，都已經被精度極高的實測結果所確認。宇宙之所以成爲今天這個樣子，是因爲它經歷了一系列重要的事件。下面，我們逆着時間順序，將這些事件從近到遠排列一下：

在大爆炸理論看來，上述每個階段，宇宙都順其自然地經過了，即通過原子核、原子、分子云的演化，最後形成了恆星。隨後，許多代恆星先後存在又滅亡，終於誕生了一些有巖質行星陪伴着的恆星，這些行星上提供了形成生命體所需的物質，我們的地球當然也在其中。

可是，上面這套敘述中仍然包含着一個尚未被徹底審視過的假設，即假定宇宙中的物質是由質子和中子開始的。這個假設看起來並不牢靠——要想明白爲什麼，我們需要將大爆炸理論繼續向前反推，達到甚或超越人類能夠探測的能量上限！

宇宙中基本粒子的形成

越向宇宙的深處（早期）去觀察，就會發現粒子之間發生着越高頻次的撞擊。但這種撞擊不論是否頻繁，粒子之間都有着很多種相互作用的方式。比如它們可能發生彈性碰撞，彼此彈開，將碰撞之前攜帶的能量全部轉爲動能。它們也可能發生非彈性碰撞，即其中一方在撞擊之後崩解，或者雙方經由碰撞而合爲一體。而假如碰撞事件的能量夠高的話，雙方還有可能自動變成新的粒子，如數量相等的物質粒子和反物質粒子。這種事件的發生無須外界的其他刺激，因爲能量已經提供了足夠的條件，而完成這種相互作用所需的能量之多少，正是由愛因斯坦最著名的方程E=mc^2決定的。

我們如果能讓時間倒流，回溯越來越早期的宇宙，不僅會看到物質粒子的平均動能升高，還會看到光子的平均能量也是如此。因此，可以用來產生新粒子的能量也將增加。這樣下去，能量肯定會在某一刻升高到足以創造新粒子的水平。

但這不說明任何我們想到的粒子都可以被創造出來。當時還是有一些限定法則要服從的，尤其是粒子只能成對地創生，物質部分和反物質部分只能相等，並且遵循下述的規則：

因此，如果我們繼續回溯到早至宇宙年齡(即大爆炸發生之後）只有大約1秒的時候，就可以發現當時的能量之高足以自發創生正負電子對（即“電子一正電子”對）。而在比這更早的時段內，還可以自發產生那些更重的“粒子一反粒子”對，如U介子、Π介子、質子、中子等的“正一反”對。如果再繼續追溯，則可以產生“標準模型”( Standard Model）中的所有已知粒子（及其反粒子）。這裡說的粒子除了上面提到的之外，還包括夸克、輕子、膠子、重玻色子甚至希格斯玻色子！

但這裡還有一個問題。如果宇宙在其起始是一片超高能的、由光子（它的反粒子就是它自身）和巨大數量的物質與反物質組成的“海洋”，且物質和反物質在創生出來時應該是等量的，那麼爲何當宇宙膨脹並冷卻之後，就只剩下了物質而不見了反物質呢？或者退一步問，爲何我們鄰近的宇宙裡只見物質而不見反物質呢？情況真是如此嗎？我們來探查一下。

反物質去哪了？

首先來考慮一下，假如宇宙中的各種粒子相互作用對於物質和反物質都是對稱的，情況會怎麼樣。畢竟在大爆炸理論的框架之內和現有的物理定律的前提下，那本來就是我們所希望的。那麼這種情況會引導出一個我們如今看到的宇宙嗎？我們所需要考慮的是宇宙開始於一個溫度任意高、密度也任意高（緻密）的狀態，其中充滿輻射，以及數量相等的物質和反物質，還按照廣義相對論的法則不斷膨脹和冷卻着。如果這個宇宙就是我們的宇宙，它將會怎樣演化？我們今天將會看到什麼？

請想象那“鍋”原始的粒子“湯”，所有粒子的運動都是如此劇烈——它們以極端相對論（ultra-relativistically）的水平在運動。這等於是說不僅其中質量爲零的粒子以光速運動，而且那些有質量的粒子的速度也不可思議地達到了如今幾乎難以企及的水平，或者更高，到了光速的99%。那時，粒子之間瘋狂撞擊，有時僅僅是相互交換能量，有時則創造出新的“粒子一反粒子”對，還有時因爲撞擊雙方正好是對應的粒子與反粒子而發生湮滅，結果生成兩個光子。與之相似，光子之間也頻繁撞擊，有時能製造出“粒子一反粒子”對，有時則不能。

只要能量足夠高，那麼，可以自發生成粒子及其反粒子的反應、粒子和反粒子發生湮滅的反應，這兩類過程就會以同樣的速率發生，從而讓宇宙中的粒子、反粒子、光子的數量在給定時間內保持平衡。但由於宇宙在膨脹，更重要的是，隨着這種膨脹而冷卻，這種平衡會改變。宇宙的膨脹導致粒子的撞擊率下降，於是粒子的誕生率和湮滅率也都下降。而宇宙的溫度變低則讓粒子損失能量。當然，讓粒子和反粒子發生湮滅並不需要額外的能量，但你的確需要足夠的能量才能產生新的粒子。

一個經驗是，當一個粒子（或反粒子，或光子）的平均動能降到低於創造粒子所需的等效靜質量（這一等效仍通過質能方程來算出）時，粒子的誕生率會迅速跌到零。以上圖所示的幾種反應爲例，隨着宇宙溫度下降，左下的反應將最先停止，下一個停止的則是右下的，此後停止的是位於右上部的正負電子對的自發創生過程。當可以利用的能量越來越少，創生新的粒子也就越來越難，但像圖的左上部所示的湮滅過程仍能毫無阻力地繼續發生。當粒子間的湮滅已經發生得足夠多之後，殘存的就只有很少的粒子和反粒子了，二者數量仍然相等，它們沒有湮滅僅僅是因爲彼此距離太遠，無法相遇。它們共同處於一片光子海洋中。

如果上述的這幅完全對稱的圖景能夠代表我們的宇宙的實情，我們首先能看到的就是所有不穩定的“粒子一反粒子”對最終都淫滅成光子，剩下的蛻變爲電子、正電子、中微子（以及反中微子）等穩定粒子。那些不穩定的夸克會全部衰變爲上夸克和下夸克(以及反上夸克和反下夸克），進而凝結成數量相等的質子、中子、反質子、反中子。隨着溫度繼續下跌，有質量的“粒子一反粒子”對的自發生成過程會停下來，而湮滅過程依然不受影響。“質子—反質子”對(當然也包括“中微子一反中微子”對）會繼續湮滅，直到因所剩數量太少，無法實現“對對碰”爲止。“電子一正電子”對的情況也與之相似。最終，中子和反中子會衰變（因爲它們只有在成爲重原子核的組成部分時纔是穩定的），留給我們少量質子、電子、反質子、正電子，還有光子、中微子和反中微子。到這個階段，宇宙的填充物當中絕大部分是輻射，只有很少的氫離子、反氫離子，另外就沒有什麼了。

很明顯，我們的宇宙不是這個樣子的！固然，我們看到的光子確實比物質粒子多得多——二者的比例大於10⁹：1，但是如果承認物質與反物質完全對稱，這個比例將變成10²⁰：1！你也許會覺得，宇宙中可能有某種力量把物質和反物質隔離開來了，保證它們不能相遇並湮滅，但如果事實如此，我們應該能找到宇宙中的“物質區”和“反物質區”分別存在的明顯證據纔對：鑑於宇宙的大尺度結構呈現網狀，而物質和反物質相碰會湮滅，我們將沒有什麼理由不能見證發生在恆星、星系以及星系際氣體之間的湮滅現象。

可是，觀測事實與上述猜測不符。人們曾經在深太空中仔細地排查，希望能爲上述思路提供佐證，但目前觀察到的恆星、星系和氣體雲都是由物質組成的，沒有反物質存在的跡象。所以說，對當前宇宙面貌的闡述，如果放到過去的某些時候、某些區域，以某種方式去說，應該是不全面的。宇宙要麼一開始就有着某種不對稱性，物質多於反物質，夸克多於反夸克，輕子多於反輕子，要麼一開始是對稱的，但後來通過某種過程產生了不對稱性。

總結

在科學上，我們通常要努力避免一種被稱爲“精細調節的初始條件”（finely-tuned initial conditions）的假設。這話的意思是說，我們不應該爲了能讓宇宙成爲今天的樣子，而去專門設定一套非常特殊的、“按需定製”的條件。我們應該爭取的，是在動力學的基礎上尋求解釋。這纔是依靠物理學的基本定律和機制去說明宇宙演化的最大希望所在。

當然，這既是理論物理學最大的雄心，也是它最大的挑戰。一個物理學理論要得到廣泛的接受，不僅要能夠解釋原有理論難以解釋的現象，還要給出新的、可能被證實或被證僞的預言。我們正在當前的未知國度內踏出第一步：我們認爲，在過去的宇宙中，有某種事物造成了當前看到的這種“物質一反物質”的不對稱，可我們現在還沒有積累起充足的證據去準確說明這“某種事物”究竟是什麼。