32. 为什么正物质多于反物质？Why is there more matter than antimatter?

所谓的反物质就是由普通物质粒子所对应的反粒子所组成的物质。普通物质粒子所对应的反粒子是指那些和正粒子（比原子小的普通粒子，如电子、质子、中子、介子、中微子等粒子，可统一称为正粒子）质量相同但电荷相反的粒子。由于反粒子的电荷反号所以反粒子的磁矩也就和正粒子相反。

图1 反物质稀少之谜

比如电子的反粒子就是正电子，正电子质量和电子相同，但电荷相反，带与电子相同数量的相反的正电荷。质子的反粒子为反质子，带负电。而中子由于不带电，但其具有自旋磁矩，所以反中子的自旋或磁矩与普通中子相反。而中微子也不带电，所以中微子的反粒子即反中微子也是自旋与普通中微子相反，但中微子自旋等于1/2，所以中微子的反粒即反中微子的自旋就是-1/2。

图2 物质粒子和反物质粒子

正粒子与其反粒子相遇，会发生湮灭反应，即粒子和反粒子都会湮灭而放出能量。最典型的湮灭反应就是电子和正电子碰撞发生湮灭释放出频率很高的伽玛光子。电子和正电子由于电荷相反会互相吸引，如果相对绕行的动能无法克服相互电荷引力而发生碰撞，在碰撞的一刹那会放出伽玛光子。粒子和反粒子发生碰撞的能量大小，可以利用爱因斯坦质能关系算出，也就是粒子和其反粒子在发生碰撞的时候其质量全部都变成了能量。

图3 物质粒子和反物质粒子的湮灭反应示意图

反粒子的概念最早由英国物理学家狄拉克在研究相对论电子时提出，狄拉克首先预言了正电子的存在，最后在实验上被美国物理学家卡尔安德森确认。自然界的反粒子可以产生于高能宇宙射线与地球大气粒子的碰撞或者放射性元素的衰变过程。而安德森发现的正电子就是来源于对高能宇宙射线粒子浴的研究（这个可以参考第29个科学问题），狄拉克和安德森关于反粒子的工作也都被诺贝尔奖所肯定。虽然这些自然过程都能够产生反粒子，但非常奇怪的是这些高能过程所产生的反粒子的数量非常少，反粒子大概只有正粒子的十亿分之一。另外，人类也可以在粒子加速器的碰撞中产生极其稀少的反粒子，其产生的总量一般在1纳克以下，所以比原子还大的物质的反粒子，到现在还没有被制造出来，而目前在原子层次，除了反氢原子之外，人类制造的最复杂的反粒子就只有反氦原子了。

图4 狄拉克和安德森

对人类而言，反物质粒子的发现让人类充满迷惑，为什么这个世界上反粒子这么少？按照对称的思想，为什么这个世界不是由反粒子组成的，比如为什么原子不是由带负电的反核子和核外带正电的正电子组成的，而是由一般的带正电的核和带负电的电子所形成的原子组成，这个世界为什么要偏好正粒子？也就是说为什么我们生活的世界存在物质和反物质的这种不对称？

如果宇宙大爆炸理论是正确的，那么我们这个世界应该来源于一个能量奇点的爆炸，那么爆炸之初物质粒子和反物质粒子必然是相等的，但为什么后来只留下了物质粒子，而反物质粒子都去了哪里？为什么从物质和反物质考虑，这个世界是不对称的？

图5 宇宙正反物质不对称之谜

反过来，为什么我们这个世界非要存在对称？因为对称预示着守恒和规律，预示着这个世界是有规律可循的。这个世界有一个重要的守恒就是能量守恒，如果我们承认现在的世界来源于宇宙大爆炸的高能量奇点，那爆炸产生的物质和反物质的量应该完全相等，因为物质和反物质湮灭会放出能量，而宇宙大爆炸是湮灭的反过程，即能量奇点产生物质，那必然应该产生等量的物质和反物质。但目前看这个世界显然不对称，所以反物质这么稀少的原因到底是什么？

在地球上我们观测物质变化的任何一个过程中，你会发现都存在着三个最基本的对称性或守恒性，一个是电荷对称或守恒，我们用C表示，也就是对某些过程，如果将电荷反号，这个过程不会发生任何改变，称为C对称；一个是宇称对称或守恒，即镜像对称，我们称为P，有些过程如果镜像一下，这个过程也不会发生改变，称为镜像对称；另外一个是变化过程的时间对称性，我们用T表示，也就是有些过程是时间发生反号，即发生时间反转，就如同录像的倒放，这个过程依然不变，称为具有时间反演对称性。

图6 宇称对称性示意图

显然人类对这三类对称的认识经历了漫长的过程。首先是时间反演对称，显然时间是单向的，是不对称的，所以物理规律不满足单独的时间对称性；其次是P对称，也就是我们开始认为任何一个过程都应该满足P对称，也就是在镜子中某一个过程和我们这个世界的过程应该完全一样，不可区分。但后来1956年发现宇称P不守恒，杨振宁和李政道因此也获得了1957年诺贝尔物理学奖。最后就是电荷C不对称，也就是这里所谈的物质和反物质的不对称性。

图7 杨振宁和李政道对宇称认识的贡献

而且不仅如此，后来人们通过实验发现CPT的任何两个组合也是不守恒的，比如物理转化过程似乎也不服从CP联合对称性。

图8 关于CP不对称的认识

但目前人们发现，任何一个过程都是CPT对称的，也就是如果一个过程，把电荷反号，镜像空间反号，那一定时间会反号，也就是相当于时间倒退的过程。或者时间反号，镜像空间反号，那一定等价于电荷反号。也就是这个世界上任何过程，都满足CPT不变性，或者都是CPT守恒的。用更为科学的语言来讲就是任何物理规律都满足CPT对称，即在C（电荷反号）P（镜像空间反号）T（时间反号）下保持不变。这个被称为CPT定理，是物理学最基本的守恒定律。而这个守恒目前看来还没有反例被发现。

图9 CPT 对称性示意图

所以从守恒的角度来说，这个世界的规律不单独满足C对称，如果将我们世界的粒子全部变成反粒子，这个世界的结构和发展演化必将会大不相同，虽然我们接受这种不同，但我们的问题是为什么这个世界的发展会偏偏留下了一种粒子，比如正粒子，而形成了正粒子的物质世界，而不是反粒子所形成的反物质世界？如何解释这种正负粒子不对称的结果？难道宇宙真的是平行的，在宇宙某个镜像的地方，是不是还存在一个由反物质组成的地球和我们人类？