大爆炸理論通過已知的物理法則，準(zhǔn)確的建構(gòu)了宇宙在遙遠(yuǎn)過去的模型，由此外推并對當(dāng)前我們所看到的宇宙現(xiàn)象做出了預(yù)測，并取得了巨大的成功。這個不斷膨脹、冷卻著的宇宙不僅在數(shù)十億年間孕育了無數(shù)恒星、星系、星系團及其大尺度結(jié)構(gòu)，還具有一個讓人驚訝的特性，那就是每當(dāng)我們望向它的越深越遠(yuǎn)之處，就等于在查看年代越久遠(yuǎn)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著宇宙的哈勃膨脹現(xiàn)象而離我們遠(yuǎn)去，還有這些天體在宇宙年輕時和未經(jīng)充分演化時的樣子。這意味著一大堆事情，而且其中很多都已經(jīng)從觀測上得到了驗證。

宇宙恒星、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，那么當(dāng)我們觀察宇宙的更早期存在什么的時候，應(yīng)該會看到很多的事情。在遙遠(yuǎn)的過去，因為還沒有足夠的時間，所以大型并合事件更少，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后來更遠(yuǎn)。

我們也應(yīng)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(yīng)該會看到那些遙遠(yuǎn)的恒星和星系的重元素含量不如現(xiàn)在，因為那時的宇宙還來不及讓恒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(yuǎn)的歷史，應(yīng)該還能發(fā)現(xiàn)真正最原始的星際氣體云。那時的宇宙還沒有任何一顆恒星誕生，也就更沒有恒星死亡，從而也不會被恒星演化所產(chǎn)生的重元素給“污染”。

宇宙歷史中這些順理成章的演化鏈條，全都始于大爆炸，始于過去的宇宙比今天的更熱、更致密，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(yù)言還沒有任何觀察事實可以佐證，如今我們卻看到這些預(yù)言和其他許多科學(xué)猜測一樣，都已經(jīng)被精度極高的實測結(jié)果所確認(rèn)。宇宙之所以成為今天這個樣子，是因為它經(jīng)歷了一系列重要的事件。下面，我們逆著時間順序，將這些事件從近到遠(yuǎn)排列一下：

• 帶有形成生命所需之物質(zhì)的巖質(zhì)行星，只會出現(xiàn)在很多代的恒星死亡之后一 因為它需要這些恒星耗盡燃料并瓦解，將其創(chuàng)造的重元素返還到宇宙空間。
• 要能形成上述的恒星，必須先有巨量的物質(zhì)在引力作用下聚攏起來，形成冷且致密的分子云。這種分子云最終可以坍縮并觸發(fā)恒星形成。
• 要形成上述冷的分子云，必須要讓構(gòu)成它的原子失去一些能量，不能讓它們具有在宇宙早期階段那樣高的能量。所以，也需要一定的時間才能讓它們的溫度和動能下降得足夠多。
• 要讓這些原子得以存在，宇宙就必須先結(jié)束那種既高溫又高密的等離子體階段，否則那些能量足夠強勁的光子不會讓原子核和電子穩(wěn)定地結(jié)合成中性原子。
• 要形成第一個穩(wěn)定并且復(fù)雜的原子核，宇宙就必須先從一個比上述狀態(tài)更加高溫的狀態(tài)中冷卻下來，不然哪怕是一個僅比單個質(zhì)子或單個中子復(fù)雜一點點的原子核——氦核（由一個質(zhì)子與一個中子組成）都會被光子打碎，從而讓核反應(yīng)的鏈條無法運行下去。

在大爆炸理論看來，上述每個階段，宇宙都順其自然地經(jīng)過了，即通過原子核、原子、分子云的演化，最后形成了恒星。隨后，許多代恒星先后存在又滅亡，終于誕生了一些有巖質(zhì)行星陪伴著的恒星，這些行星上提供了形成生命體所需的物質(zhì)，我們的地球當(dāng)然也在其中。

可是，上面這套敘述中仍然包含著一個尚未被徹底審視過的假設(shè)，即假定宇宙中的物質(zhì)是由質(zhì)子和中子開始的。這個假設(shè)看起來并不牢靠——要想明白為什么，我們需要將大爆炸理論繼續(xù)向前反推，達(dá)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(fā)現(xiàn)粒子之間發(fā)生著越高頻次的撞擊。但這種撞擊不論是否頻繁，粒子之間都有著很多種相互作用的方式。比如它們可能發(fā)生彈性碰撞，彼此彈開，將碰撞之前攜帶的能量全部轉(zhuǎn)為動能。它們也可能發(fā)生非彈性碰撞，即其中一方在撞擊之后崩解，或者雙方經(jīng)由碰撞而合為一體。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(shù)量相等的物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子。這種事件的發(fā)生無須外界的其他刺激，因為能量已經(jīng)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?nèi)绻茏寱r間倒流，回溯越來越早期的宇宙，不僅會看到物質(zhì)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(chǎn)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(chuàng)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(chuàng)造出來。當(dāng)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(chuàng)生，物質(zhì)部分和反物質(zhì)部分只能相等，并且遵循下述的規(guī)則：

• 宇宙中的每種粒子都有專門的一套能夠描述它，并且能夠唯一地描述它的特性，包括：靜止質(zhì)量、電荷、重子數(shù)、輕子數(shù)、輕子家族號、自旋值，等等。
• 每種粒子都有自己的一種鏡像粒子，即一種反粒子。特定反粒子的質(zhì)量和自旋與特定粒子相同，但電荷相反，重子數(shù)相反，輕子數(shù)及其家族數(shù)也相反。
• 有些粒子雖不帶電荷（如玻色子），但也有其反粒子，那就是它們自身。
• 最后，當(dāng)粒子和與之對應(yīng)的反粒子相撞時，雙方會發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個光子。每一個光子的能量等于“粒子一反粒子”對中的粒子的靜止質(zhì)量，這是由愛因斯坦的質(zhì)能方程所決定的。

因此，如果我們繼續(xù)回溯到早至宇宙年齡(即大爆炸發(fā)生之后）只有大約1秒的時候，就可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)時的能量之高足以自發(fā)創(chuàng)生正負(fù)電子對（即“電子一正電子”對）。而在比這更早的時段內(nèi)，還可以自發(fā)產(chǎn)生那些更重的“粒子一反粒子”對，如U介子、Π介子、質(zhì)子、中子等的“正一反”對。如果再繼續(xù)追溯，則可以產(chǎn)生“標(biāo)準(zhǔn)模型”( Standard Model）中的所有已知粒子（及其反粒子）。這里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！

但這里還有一個問題。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(shù)量的物質(zhì)與反物質(zhì)組成的“海洋”，且物質(zhì)和反物質(zhì)在創(chuàng)生出來時應(yīng)該是等量的，那么為何當(dāng)宇宙膨脹并冷卻之后，就只剩下了物質(zhì)而不見了反物質(zhì)呢？或者退一步問，為何我們鄰近的宇宙里只見物質(zhì)而不見反物質(zhì)呢？情況真是如此嗎？我們來探查一下。

反物質(zhì)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于物質(zhì)和反物質(zhì)都是對稱的，情況會怎么樣。畢竟在大爆炸理論的框架之內(nèi)和現(xiàn)有的物理定律的前提下，那本來就是我們所希望的。那么這種情況會引導(dǎo)出一個我們?nèi)缃窨吹降挠钪鎲?？我們所需要考慮的是宇宙開始于一個溫度任意高、密度也任意高（致密）的狀態(tài)，其中充滿輻射，以及數(shù)量相等的物質(zhì)和反物質(zhì)，還按照廣義相對論的法則不斷膨脹和冷卻著。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么？

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。這等于是說不僅其中質(zhì)量為零的粒子以光速運動，而且那些有質(zhì)量的粒子的速度也不可思議地達(dá)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(chuàng)造出新的“粒子一反粒子”對，還有時因為撞擊雙方正好是對應(yīng)的粒子與反粒子而發(fā)生湮滅，結(jié)果生成兩個光子。與之相似，光子之間也頻繁撞擊，有時能制造出“粒子一反粒子”對，有時則不能。

只要能量足夠高，那么，可以自發(fā)生成粒子及其反粒子的反應(yīng)、粒子和反粒子發(fā)生湮滅的反應(yīng)，這兩類過程就會以同樣的速率發(fā)生，從而讓宇宙中的粒子、反粒子、光子的數(shù)量在給定時間內(nèi)保持平衡。但由于宇宙在膨脹，更重要的是，隨著這種膨脹而冷卻，這種平衡會改變。宇宙的膨脹導(dǎo)致粒子的撞擊率下降，于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(dāng)然，讓粒子和反粒子發(fā)生湮滅并不需要額外的能量，但你的確需要足夠的能量才能產(chǎn)生新的粒子。

一個經(jīng)驗是，當(dāng)一個粒子（或反粒子，或光子）的平均動能降到低于創(chuàng)造粒子所需的等效靜質(zhì)量（這一等效仍通過質(zhì)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(yīng)為例，隨著宇宙溫度下降，左下的反應(yīng)將最先停止，下一個停止的則是右下的，此后停止的是位于右上部的正負(fù)電子對的自發(fā)創(chuàng)生過程。當(dāng)可以利用的能量越來越少，創(chuàng)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(xù)發(fā)生。當(dāng)粒子間的湮滅已經(jīng)發(fā)生得足夠多之后，殘存的就只有很少的粒子和反粒子了，二者數(shù)量仍然相等，它們沒有湮滅僅僅是因為彼此距離太遠(yuǎn)，無法相遇。它們共同處于一片光子海洋中。

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(wěn)定的“粒子一反粒子”對最終都淫滅成光子，剩下的蛻變?yōu)殡娮?、正電子、中微子（以及?a class="keyword-search" >中微子）等穩(wěn)定粒子。那些不穩(wěn)定的夸克會全部衰變?yōu)樯峡淇撕拖驴淇?以及反上夸克和反下夸克），進而凝結(jié)成數(shù)量相等的質(zhì)子、中子、反質(zhì)子、反中子。隨著溫度繼續(xù)下跌，有質(zhì)量的“粒子一反粒子”對的自發(fā)生成過程會停下來，而湮滅過程依然不受影響?！百|(zhì)子—反質(zhì)子”對(當(dāng)然也包括“中微子一反中微子”對）會繼續(xù)湮滅，直到因所剩數(shù)量太少，無法實現(xiàn)“對對碰”為止?！半娮右徽娮印睂Φ那闆r也與之相似。最終，中子和反中子會衰變（因為它們只有在成為重原子核的組成部分時才是穩(wěn)定的），留給我們少量質(zhì)子、電子、反質(zhì)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(dāng)中絕大部分是輻射，只有很少的氫離子、反氫離子，另外就沒有什么了。

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(zhì)粒子多得多——二者的比例大于10?：1，但是如果承認(rèn)物質(zhì)與反物質(zhì)完全對稱，這個比例將變成102?：1！你也許會覺得，宇宙中可能有某種力量把物質(zhì)和反物質(zhì)隔離開來了，保證它們不能相遇并湮滅，但如果事實如此，我們應(yīng)該能找到宇宙中的“物質(zhì)區(qū)”和“反物質(zhì)區(qū)”分別存在的明顯證據(jù)才對：鑒于宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)網(wǎng)狀，而物質(zhì)和反物質(zhì)相碰會湮滅，我們將沒有什么理由不能見證發(fā)生在恒星、星系以及星系際氣體之間的湮滅現(xiàn)象。

可是，觀測事實與上述猜測不符。人們曾經(jīng)在深太空中仔細(xì)地排查，希望能為上述思路提供佐證，但目前觀察到的恒星、星系和氣體云都是由物質(zhì)組成的，沒有反物質(zhì)存在的跡象。所以說，對當(dāng)前宇宙面貌的闡述，如果放到過去的某些時候、某些區(qū)域，以某種方式去說，應(yīng)該是不全面的。宇宙要么一開始就有著某種不對稱性，物質(zhì)多于反物質(zhì)，夸克多于反夸克，輕子多于反輕子，要么一開始是對稱的，但后來通過某種過程產(chǎn)生了不對稱性。

總結(jié)

在科學(xué)上，我們通常要努力避免一種被稱為“精細(xì)調(diào)節(jié)的初始條件”（finely-tuned initial conditions）的假設(shè)。這話的意思是說，我們不應(yīng)該為了能讓宇宙成為今天的樣子，而去專門設(shè)定一套非常特殊的、“按需定制”的條件。我們應(yīng)該爭取的，是在動力學(xué)的基礎(chǔ)上尋求解釋。這才是依靠物理學(xué)的基本定律和機制去說明宇宙演化的最大希望所在。

當(dāng)然，這既是理論物理學(xué)最大的雄心，也是它最大的挑戰(zhàn)。一個物理學(xué)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(xiàn)象，還要給出新的、可能被證實或被證偽的預(yù)言。我們正在當(dāng)前的未知國度內(nèi)踏出第一步：我們認(rèn)為，在過去的宇宙中，有某種事物造成了當(dāng)前看到的這種“物質(zhì)一反物質(zhì)”的不對稱，可我們現(xiàn)在還沒有積累起充足的證據(jù)去準(zhǔn)確說明這“某種事物”究竟是什么。