你想过没有,为什么宇宙中会有物质,而不是什么都没有?为什么会有你、有我,又有她?这个问题是当今宇宙学,乃至整个物理学最大的一个难题 。
那我们是啥?我们是正物质,因为我们是由质子、中子和电子组成的,所以问题是宇宙中为什么会有,质子、中子和电子?
那么产生这个问题的原因是,重子数守恒和轻子数守恒,这里我解释一下,质子和中子是重子,电子是轻子,因为一个重,一个轻,所以叫重子和轻子 。
重子数守恒和轻子数守恒说的是,宇宙中重子的数量和轻子的数量保持恒定,不会发生变化 。
你看,日常生活中的化学反应只会涉及到化学键的断裂和结合,就算是核反应也只是原子核的分裂与重组,并不会影响到重子和轻子,也不会让他们的数量发生改变 。
其次就是β衰变,中子在经过βˉ衰变以后,会变成质子、电子和反电子中微子,从这个反应中可以看出,重子数依旧没有变化,只不过是一个中子变成了质子,虽然生成了电子,但又生成了一个反电子中微子,这也叫轻子,但它的轻子数和电子的轻子数相反,所以相互抵消,轻子数依旧没有变化 。质子到中子的β+衰变也一样,变来变去并不会改变重子数和轻子数 。
所以就我们目前所知,在当今的低能宇宙中,我们无法改变重子和轻子的数量,那有些同学就要问了,那我拿一个反质子或者一个反电子,跟质子和电子一湮灭,这不就破坏他们的数量守恒了吗?
对!确实可以!但问题是,你去哪找反质子和反电子?要知道,我们所有的实验和观测都表明,当你想要创造一个反物质的时候,同时会创造出一个与之对应的正物质,当你想要毁灭一个正物质的时候,必须要毁灭一个与之对应的反物质 。
就拿电子来说,狄拉克的方程预示着电子具有负能量,也就是在原子的基态之下,还有负无穷个能级,这些能级都被具有负能量的电子给填满了 。
所以具有正能量的电子才没有掉入负能级,这是因为泡利不相容原理,因此真空在我们看来就是一个负能量的海洋,海平面就是能量的0点,海平面之上就是正能量的世界,这就是我们常听说的狄拉克之海 。
既然在0点以下的能级中还有电子,那这些电子就应该能被激发出来,跃迁到正能量的世界,对吧,所以我们只要给真空中注入能量,比如说用一个伽马光撞击原子核,当这个伽马光子的能量等于2mc^2,其中m是电子的质量,我们就能把真空中的电子给他激发出来,那么失去电子的真空就会留下一个空穴,这个空穴会表现出正电荷,这就是我们所说的正电子 。
所以说,我们只要创造一个正粒子,就会在真空中留下一个与之对应的空穴,这个空穴就是它的反粒子,正反粒子很快就会湮灭掉,然后释放出刚才激发的能量,说白了就是这个激发出来的正粒子很快就会回到空穴中,也就是跃迁到了更低的能态,然后就释放出能量了 。
所以我们不可能改变现今宇宙中的重子数和轻子数,因此我们认为在现今的这个低能宇宙中重子数和轻子数是守恒的 。
【宇宙20|宇宙应该“空无一物”,为什么却有物质?反物质消失之谜】并且从高能状态中,我们也能够看出来重子数和轻子数是守恒的,你看,只要能量激发出一个正物质,就会跑出来一个反物质,它俩相互抵消,重子数和轻子数不增不减 。
如果把以上的知识用到早期的宇宙中空无一物,你就会发现,宇宙诞生的时候,其中的能量应该是创造了等量的物质和反物质,以保证宇宙开始的时候,重子数和轻子数是守恒的,一直保持为0 。
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