正反物质相遇会发生湮灭，宇宙中正反物质之间是否有空间在隔绝？

考虑到很多人经常会把反物质和暗物质搞混，所以在说明反物质之前，首先区分反物质和暗物质这两个概念：

反物质：任何物质都有反物质，反物质的电荷等性质与正物质相反，质量相同，比如电子与正电子，除了电荷符号相反外其他性质均相同；光子的反物质就是其自身；

暗物质：为了解释宇宙学观测中现象与理论不符而提出的一种分布在宇宙中的不可见物质，目前为止暗物质只是一种假设，也没有任何的实验观测表明暗物质存在。

理论上说，反物质属于可见物质 本文由以下几个部分构成：

1、背景介绍

2、正反物质湮灭

3、宇宙中的反物质

4、身边的反物质

5、理论解释

6、总结

1、背景介绍

最先提出“反物质”的是狄拉克（Dirac），他为了描述电子（自旋为1/2的粒子）的运动而提出了Dirac方程。狄拉克通过对比牛顿力学与相对论力学的关系，自然地想把量子力学推广到相对论性量子力学。在量子力学中，最重要的是薛定谔方程：

其中

为哈密顿算符，其实就是牛顿力学下动能的形式，而狄拉克推广的想法简单地说就是把这个能量变为相对论中的能量：

其中把光速设为1了。这个方程的解就可能对应着两个能量，即+E和-E，狄拉克把负能量解释成反物质。狄拉克对此提出了“狄拉克海”，以电子为例，他认为宇宙中充满了电子，和海洋一样，但是某些电子可能由于某些原因被激发出海平面，这样这个电子原来的位置就留下一个空穴。这个空穴相对于充满电子的空间来说，就是带正电的正电子。当然现在我们知道这种解释并不是正确的。通过解Dirac方程发现，每一种粒子（自旋1/2的粒子）都必定存在其对应的反粒子，反粒子和粒子的质量完全相同，但是电荷等属性完全相反（注意与暗物质区分）。随着理论和实验的发展发现，不管自旋为多少，每一种粒子都有其对应的反粒子（特殊情况下，反粒子可以为其本身，如光子）。

1932年，安德森发现了正电子。安德森从1930年开始跟密立根做宇宙射线的研究工作。从1930年起安德森负责用云室观测宇宙射线。安德森采用一个带有非常强磁铁的威尔逊云室来研究宇宙射线。他让宇宙射线中的粒子通过室内的强磁场

并快速拍下粒子径迹的照片，然后根据径迹长度、方向和曲率半径等数据来推断粒子的性质。1932年8月2日，安德森在照片中发现一条奇特的径迹，这条径迹和负电子有同样的偏转度，却又具相反的方向（上图），显示这是某种带正电的粒子。从曲率判断，又不可能是质子。于是他果断地得出结论，这是带正电的电子。狄拉克预言的正电子就这样被安德森发现了。

虽然安德森是第一个发现正电子的人，但是实际上，在此之前，就有一名中国物理学家发现了正电子的迹象，他就是赵忠尧先生。

2、正反物质湮灭正反物质相遇会发生湮灭反应（当然也有一定的概率发生散射而不是湮灭），在这个过程中释放出高能光子。以正负电子为例，正负电子湮灭成一对光子的（最主要的）过程可以用如下费曼图表示：

正负电子湮灭生成一对光子 电子的质量大约为

正负电子湮灭放出的光子的波长很容易算出来。反应前后能量守恒：

其中

是电子的静质量，

是入射光子的频率，可以算出：

再通过

算出光子波长:

而光的分类为：

可以看到，这样的光子至少也是gamma射线。上面的计算还没有考虑电子有动能。另外，宇宙中的物质主要是重子，重子是强子的一种，而最轻的强子是 介子的质量大约为

是电子质量的260倍左右。所以强子正反物质湮灭只会释放出更高的能量。

3、宇宙中的反物质

单纯的从Dirac方程来看，物质和反物质的地位是完全等价的，不存在谁比谁更优先，两者是互为反物质，也就是说，物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的。如果我们假设宇宙大爆炸时正反物质数量是相等的，那么现在的正反物质数量也应该是相等。

宇宙中的物质和反物质的不对称主要体现为正反重子的不对称，这是因为当今宇宙中的普通物质的能量主要集中在重子部分。但是天文观测数据却显示，在可观测的宇宙范围内，二者严重失衡，只发现了正物质，没有反物质。假设宇宙中有反物质存在的区域，那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭，产生很强的伽马射线，但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。在高能宇宙线中观测到的反物质比如反质子是宇宙线传播过程中发生碰撞而产生的次级粒子，并不是来自于宇宙深处的原初反物质其它的观测也给出了相同的结果。

在宇宙学中，人们定义了重子光子比

上面公式中的分子分别表示重子和反重子的数密度，分母为光子的数密度，大约为每立方厘米413个光子。经典大爆炸宇宙学告诉我们宇宙早期的物质处于高温的等离子体，当宇宙温度足够高时，正反重子不停地成对产生并很快湮灭。但是当温度降到1 GeV 以下时，这些正反重子很快湮灭成光子，而不再有正反重子对的产生。如果宇宙是正反重子对称的，最后的结果将是0。但这与观测结果是直接矛盾的。宇宙早期大爆炸核合成以及微波背景辐射都重子光子比有精确的测量。两者的测量结果都给出10的负10次方。注意，这两个物理过程分别发生在温度相差一 百万倍的不同时期，却给出了几乎相同的结果，这说明了标准大爆炸宇宙学模型的自洽性和成功之处，并一致性地告诉我们至少从大爆炸核合成时期开始，宇宙呈现出了明显的正反物质的不对称。

理论上讲，这种正反物质不对称可能是宇宙创 生的时候就有的。然而，近代宇宙学研究表明，宇宙 在早期经历了一个暴胀阶段。暴胀解决了经典宇宙 学中的平坦性、均匀性等问题，但同时剧烈的膨胀也使得原始的重子数和反重子数密度趋近于零。也就是说经历了暴胀之后，宇宙应该处于的对称状态。所有的物质和反物质都是在暴胀后的再加热 (reheating)过程中产生，所以正反物质的不对称也必 须是暴胀后宇宙中的动力学演化的结果。

4、身边的反物质

一说到反物质，就会想到反物质和正物质会湮灭，会觉得其与生活中的物质距离非常远。但是实际上，从某种意义上说，反物质无处不在。根据物理学中的相关知识可以知道，我们的宏观世界几乎都是由原子或分子构成的，原子质量几乎都集中在原子核中，原子核由质子和中子构成，而原子核中的质子中子之间是有非常强的相互作用的，而传递这种相互作用的粒子中就含有反物质（反夸克）。所以，从这种意义上说，反物质存在于所有的宏观物质中。当然，这里是指反物质粒子，而不是反物质粒子构成的宏观物质。（当然，严格地说，这些应该属于虚粒子）

反物质在我们所生活的环境中不能产生，但是在实验室中却很容易产生，也就是在对撞机中，比如CERN的LHC，北京的北京正负电子对撞机BEPC等，在一次对撞中，会产生成千上万的反物质粒子产生，也就是说反物质每天都在实验室中产生。

5、理论解释

那么从现有的理论上该怎么解释这个现象呢？1967年前苏联物理学家萨哈洛夫（Sakharov）就提出了动力学产生宇宙正反物质不对称, 即重子数产生（baryogenesis）机制所需要的3个条件：

存在重子数不守恒的过程

C和CP对称性的破坏

脱离热平衡

重子数的定义：正物质重子数 减去 反物质重子数。第一条是很显然的，若重子数守恒，那么正反物质永远是对称的。第二条，C不对称是正反粒子交换的不对称，CP不对称是正反粒子交换、左和右交换联合的不对称。只要C或CP中的任意一个对称性存在， 重子数破坏的反应过程就会产生相同数量的重子和反重子。第三条，由CPT 定理(T是时间反演)可知，正反粒子质量相等。如果处于热平衡，重子与反重子将具有相同的热分布, 因而会有相同的密度和数量。

为了实现这三个条件，多年来提出了很多具体的机制和模型。但是能否在现有的粒子物理标准模型（Standard Model，SM） 实现呢？在当今粒子物理的标准模型中，重子数守恒是被非微扰的Sphaleron过程所破坏。再者C变换不守恒在标准模型的弱相互作用中普遍存在，而CP变换的不守恒是由卡比博-小林-益川矩阵(CKM矩阵)中的一个复的相角所提供。当重子数破坏过程的反应速率小于宇宙膨胀的速率时，远离热平衡的条件也可以满足。但是定量的计算表明标准模型中CP破坏的效应很小而远远不能产生观测到的物质反物质不对称的数值。

标准模型中CP破坏有两个来源，一个是弱电中的CKM矩阵，另一个是强相互作用（QCD）中出现的强CP破坏。但是定量的计算表明，这两个破坏源都无法满足Sakharov条件中所要求的破坏量级。另外，这还要求Higgs粒子的质量要小于45Gev，但是实验已经测得其质量为125Gev。因此，现有标准模型存在不能解释的问题，是一定要扩充的！

下面说一下电弱重子数产生机制。在标准模型中，因为量子效应的存在导致的反常效应和非阿贝尔规范场真空的特殊性破坏了重子数，这种效应在低温时是微不足道的，但当温度高于电弱能标(大致对应于(100) GeV)时，重子数破坏作用将处于热平衡。这实现了第一个条件，CKM矩阵给出C和CP破坏实现第二个条件。第三个条件是通过一级电弱相变实现的。

在宇宙初期，温度很高，电磁相互作用和弱相互作用还处于统一状态，电弱对称性 还没有破缺，此时还没有净重子数产生。随着宇宙膨胀，温度下降到大约100Gev以下时发生电弱相变，正反物质的不对称性就发生在这个过程。这个过程分为三步:

1.在对称相的等离子体中的某些地方会发生一级相变，出现破缺相，也就是出现了一个bubble，这个破缺相的bubble区域会逐渐膨胀，bubble壁与外面的对称相中的离子发生碰撞，如果bubble壁前存在CP破坏因子，那么壁前将产生粒子数密度的CP不对称性；

2.CP不对称性通过sphaleron过程产生比反重子多的重子；

3.bubble外产生的净重子数随着bubble的快速扩大被纳入破缺相中。

如下图所示：

这个sphaleron过程在高温下速率很快，而在低温下，尤其是电弱破缺相中很慢，定量计算结果发现破缺相中的这个过程可以认为是0。

当然了，这个bubble机制虽然很漂亮，但是如之前所说，有些条件如CP破坏强度是达不到的。目前也有很多人提出新的机制和模型来解释这个谜，具体就涉及细节的计算了，估计不会有人想看。

电弱重子数产生机制最吸引人的地方在于它和 希格斯粒子紧密联系在一起], 可以在对撞机实验和引力波实验上验证.。当然，还有很多其他的重子数产生机制，比如扩大统一重子数产生机制(GUT baryogenesis)、Affleck-Dine机制、轻子数不对称产生机制(leptogenesis)等

6、总结

虽然上面说了很多，但是目前对于在宇宙中观测到正反物质不对称性的起源，我们仍然是知之甚少。不仅对于粒子物理，对于宇宙学，这同样是一个非常重要的问题。虽然现在粒子物理学的标准模型是一个非常漂亮的模型，但是对于解释正反物质不对称还是不够，因此，标准模型一定是要扩充的。但是扩充的方向在哪，新的物理现象又会出现在什么地方，或许就需要下一代更高能量的对撞机了吧。

总而言之，

革命尚未成功，同志仍需努力