从宇宙中没有等量反物质谈起（暂停更新中）

让我们来更加精确的描述下这个问题。大家都知道有反质子，正电子；也许不是每个人都知道对于不带电的中子还有反中子。那么理论上的描述是什么呢？
还得说当年Dirac写出他的相对论性电子方程，克服了负几率的困难，却发现另外的困难——它的波动的解中包含了负能量的部分。问题是这样会导致电子都无限制地跑到这些负能量状态上。于是Dirac说，这些负能量的解在自然界中都已经填满了，由于Pauli不相同原理，不会有其它的了。倒是如果它被激发出来，那么会留下一个正能量但是电荷与电子相反的空穴，这就是正电子。
俺们系的老系主任赵忠尧先生，是历史上第一个发现正电子的物理学家。1930年时他做的伽马射线的吸收的实验，对产生的效应其实就是在原子核附近，高能光子激发出电子正电子对。但是最终诺贝尔物理学奖的殊荣，给了Anderson，他在1932年在宇宙线中明确发现了质量与电子相同，但是电性相反的正电子。

很快人们就把反物质的概念从正电子上推广开来。在后来的量子场论描述中，反物质是一种普遍存在的现象。它是通常的粒子作“荷共轭变换”后得到的粒子（这个通常记作C）。
所谓的“荷共轭变换”C，实际上就是把类似电荷这样的相互作用的“荷”去负号。只要某种粒子有使其参加某种相互作用的荷，那么在自然界中就存在这种荷相反的粒子。比如质子带正电荷，那么有带负电荷的反质子。
为什么中性的中子也有反中子呢？其实中子并不是真正“基本”的粒子，它是由一个上quark和两个下quark组成的。上quark带2/3个基本电荷单位的电，下quark带-1/3个基本电荷单位的电，所以是中性的。但是对于quark来说，它始终是带电荷的（其实还带有强相互作用的荷，左手的还带有弱相互作用的荷等等），所以始终是有其反粒子的。反中子就是由一个反上quark和两个反下quark组成的。

那么接下来的问题是，这些荷都有哪些呢？每一种荷是负责相应的相互作用，我们有电磁相互作用，弱相互作用，强相互作用和引力相互作用。引力还没有纳入到量子场论的描述中来，我们暂时先不用管。那么有电磁相互作用的电荷，弱相互作用的弱荷，和强相互作用的荷。强相互作用在历史上被人起名为量子色动力学，它的荷叫做色荷。这是因为它的荷有三种，每个quark带其中之一。这正好像光学中的三原色一样，而因为所谓的quark禁闭，我们没法看到一个单独的quark，也就没法看到一个单独的荷，看到的都是三种的混合，就像白光是三原色的组合一样。
其实这还不是全部。量子场论中的荷，并不单单是相互作用的荷，更广义的是某种对称性的守恒量。前面说的有电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用，就分别是三种规范对称性对应的相互作用。除此之外理论还能找出其他的对称性，所以还有其他的荷。比如接下来很重要的，重子数和轻子数。这两个对称性看上去是不错的，实际上也差得不多。让我们在后面来仔细论述

那么现在的总结就是，物质和反物质粒子，具有相反的电荷等等相互作用的荷，也具有相反的重子和轻子数。

让我们来更加精确的描述下这个问题。大家都知道有反质子，正电子；也许不是每个人都知道对于不带电的中子还有反中子。那么理论上的描述是什么呢？
还得说当年Dirac写出他的相对论性电子方程，克服了负几率的困难，却发现另外的困难——它的波动的解中包含了负能量的部分。问题是这样会导致电子都无限制地跑到这些负能量状态上。于是Dirac说，这些负能量的解在自然界中都已经填满了，由于Pauli不相同原理，不会有其它的了。倒是如果它被激发出来，那么会留下一个正能量但是电荷与电子相反的空穴，这就是正电子。
俺们系的老系主任赵忠尧先生，是历史上第一个发现正电子的物理学家。1930年时他做的伽马射线的吸收的实验，对产生的效应其实就是在原子核附近，高能光子激发出电子正电子对。但是最终诺贝尔物理学奖的殊荣，给了Anderson，他在1932年在宇宙线中明确发现了质量与电子相同，但是电性相反的正电子。

很快人们就把反物质的概念从正电子上推广开来。在后来的量子场论描述中，反物质是一种普遍存在的现象。它是通常的粒子作“荷共轭变换”后得到的粒子（这个通常记作C）。
所谓的“荷共轭变换”C，实际上就是把类似电荷这样的相互作用的“荷”去负号。只要某种粒子有使其参加某种相互作用的荷，那么在自然界中就存在这种荷相反的粒子。比如质子带正电荷，那么有带负电荷的反质子。
为什么中性的中子也有反中子呢？其实中子并不是真正“基本”的粒子，它是由一个上quark和两个下quark组成的。上quark带2/3个基本电荷单位的电，下quark带-1/3个基本电荷单位的电，所以是中性的。但是对于quark来说，它始终是带电荷的（其实还带有强相互作用的荷，左手的还带有弱相互作用的荷等等），所以始终是有其反粒子的。反中子就是由一个反上quark和两个反下quark组成的。

那么接下来的问题是，这些荷都有哪些呢？每一种荷是负责相应的相互作用，我们有电磁相互作用，弱相互作用，强相互作用和引力相互作用。引力还没有纳入到量子场论的描述中来，我们暂时先不用管。那么有电磁相互作用的电荷，弱相互作用的弱荷，和强相互作用的荷。强相互作用在历史上被人起名为量子色动力学，它的荷叫做色荷。这是因为它的荷有三种，每个quark带其中之一。这正好像光学中的三原色一样，而因为所谓的quark禁闭，我们没法看到一个单独的quark，也就没法看到一个单独的荷，看到的都是三种的混合，就像白光是三原色的组合一样。
其实这还不是全部。量子场论中的荷，并不单单是相互作用的荷，更广义的是某种对称性的守恒量。前面说的有电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用，就分别是三种规范对称性对应的相互作用。除此之外理论还能找出其他的对称性，所以还有其他的荷。比如接下来很重要的，重子数和轻子数。这两个对称性看上去是不错的，实际上也差得不多。让我们在后面来仔细论述

那么现在的总结就是，物质和反物质粒子，具有相反的电荷等等相互作用的荷，也具有相反的重子和轻子数。

因为在宇宙的早期，由于XXXXX过程造成自发对称性破缺，使得正反物质的相互转化速度不同（具体原理每看懂）。

现在导师师兄都不在，日子无聊透顶。就算找点事做吧，希望大家喜欢
不过长篇大论、面面俱到的写下去，对俺是个严峻的考验。不知能不能坚持到底

huor 发表于 2009-6-16 17:06
只要能让我等看明白到底怎么破缺的就行:o

同学是清华大学物理系的？

原来是中国科技大学的，现在么……

对称性自发破缺在宇宙中确实存在，而且在某个阶段很重要，也和正反物质不对称有非常密切的关系。
但是并不是正反物质不对称性的直接来源，并不是顾名思义的，对称性破缺到偏向物质而不是反物质说来这么简单。
当然下面肯定会讲到:D

让我们再多在微观的世界拓展一下我们的认识。
我想大部分童子们应该听说过，其实上面也提到了，质子中子并不是基本粒子，而是由3个quark组成的。上面提到了中子的组成，对于质子则是两个上quark和一个下quark，加起来电荷是1。质子和中子是一大类叫做重子的粒子的最简单的代表，它们的特点是都是由三个quark组成的。此外还有一大类也是由quark组成的粒子，是由一个quark和一个反quark组成的，叫做介子，例子是π介子。重子和介子合起来叫做强子，代表它们是唯一参加强相互作用的粒子。
也许童子们会问，quark和反quark不是会湮灭么，怎么会组成粒子呢？其实采用这样的观点无伤大雅，因为确实介子都是不稳定的，会发生衰变。事实上重子当中也只有质子是稳定的，连单个的中子也会衰变成质子。整个强子大类中只有质子是稳定的。
我们通常接触到的物质，都是原子核里面是质子和中子，原子核外面是电子。大概是物理学界比较看重其中的原子核的部分吧，通常把这样的物质称为重子物质。这是一个只有在研究正反物质不对称的领域才用的说法。
简短截说，其实重子什么的都是quark，那么其他的还有什么基本呢？

另一大类基本的粒子就是以电子为代表的粒子，它们统称为轻子。这仅仅是因为电子比较轻的缘故，其实轻子这一类中也有比较重的，τ轻子的质量其实超过了质子，接近是它的两倍，相比而言电子只有质子质量的1/1836。

一个很显著的特点，就是quark和轻子中存在“代”的现象。所谓的代的区分，是指这些quark和轻子中，重的种类比起轻的种类来说，只有质量上的不同，而其他的性质，比如相互作用的荷，对称性的性质等等，都完全相同。目前公认的，quark和轻子总共有三代，第一代是上、下quark，电子及其中微子；第二代是粲、奇异quark，μ轻子及其中微子；第三代是顶、底quark，τ轻子及其中微子。这就构成了所有基本的费米子。在此的列表中，放在前面的quark所带电荷都是2/3个基本电荷单位，后面的则都是-1/3个基本电荷单位。电子等轻子都是带负的基本电荷单位，中微子则不带电。
非常值得一提的是所谓的中微子。它不是强子所以不参加强相互作用，也不带电所以也不参加电磁相互作用，只参加弱相互作用。弱相互作用在通常条件下是极其微弱的，所以它们与通常物质的反应是极其微弱的，很难以直接被观测到。这也就是Pauli当时在不能直接看见它们的条件下还要预言其存在的原因。它的地位接下来我们还要更多地介绍。

让我们先把粒子谱介绍完。除去这些提到的费米子（所谓的自旋为半整数的，这里就是自旋1/2的）外，还有一大类是玻色子，它们的自旋是整数。玻色子的大类中，已经研究得很清楚的是自旋为1的规范玻色子。所谓规范玻色子，是指其实电磁相互作用，弱相互作用，强相互作用作为规范相互作用，就是通过交换（可以看作从反应的一个粒子处产生然后运动到另一个粒子处被吸收）这些虚的玻色子而发生作用的，即它们是传递这三种相互作用的粒子。电磁相互作用，交换的玻色子就是光子，弱相互作用是W±和Z0，强相互作用则是被称为胶子的玻色子。
最后剩下的就是迄今还没有发现的Higgs玻色子。它的自旋是0，是所谓的标量粒子。这一点的意义是，它没有对时空的方向性的偏好，所以只有它，这种唯一的自旋为0的粒子，可以不需要其他的什么相互作用而处于一个非0的值上。相比较而言，自旋为1的矢量规范玻色子，如果有非0的期望值的话，就在时空中指出了一个方向，这样就破坏了时空的对称性，理论上是不允许的。同样单个的quark和轻子等费米子也不行。这个所谓的真空期望值，赋予了Higgs玻色子特殊的地位。其实这个真空期望值是所有基本粒子质量的起源，在这里我们先不多说，如果用到的话再介绍。

总结一下，真正的基本粒子包括：三代的quark和轻子作为费米子，电磁、弱、强相互作用的规范玻色子和Higgs玻色子，就是所有的基本粒子。世界原来如此简单。
费米子都是有反粒子的，玻色子则没有。至少在目前研究的水平上，都是认为它们是不可再分的。最后扯远点，其实更高级的物理理论，比如弦论，也不认为它们是我们通常意义上的可分的，只是它们有统一的起源而已，至少目前是这样。

在这里我们说的是离散的分立的对称性。前面我们已经涉及到了正反物质之间的对称性，荷共轭变换C。除此以外的，实际上还有宇称P和时间反演T。
说起宇称来，童子们应该知道李政道和杨振宁获得诺贝尔奖的工作就是弱相互作用的宇称不守恒。让我们用更精确的语言来描述一下，实际上由宇称联系起来的两个粒子，可以看成一个是在另一个的镜子里的映像。对我们最重要的是与自旋的联系，认为自旋就是粒子在那里转动的认识无伤大雅，那么朝着粒子前进的方向看过去，我们能看出粒子的转动是顺时针的还是逆时针的（由于量子力学的奇异的效应，如果你沿这个前进方向去测量的话，只能得到完全顺时针或完全逆时针或完全此轴上没有转动等等的状态，不能得到部分转动的状态）。那么镜子里的、由宇称联系起来的粒子，它转动的相对方向自然是相反的。
李杨发现的弱相互作用的不对称性，实际上是弱相互作用只与上面所说的那种前进方向上的自旋是左手方向转动的粒子发生。就是说，如果现实世界中的弱相互作用可以与某个粒子反应，那么镜中的粒子就不可以。这里我们用了这个左手的概念，其实并不需要非常明确的定义粒子是怎么转的，只要和右手的区分开就可以了。
前面所说的真正的基本粒子，实际上费米子的quark和轻子都是要进一步分为左手和右手的，左手的参加弱相互作用，右手的则不。

现在就有了这么一个问题，关于中微子的问题。我们看到中微子只可能参与弱相互作用，可是它也可能有右手的，而右手的又不参与弱相互作用。这么一来，右手的中微子实际上完全不参加任何除引力以外的相互作用，所以我们没法直接用相互作用看到它。其实看到参加弱相互作用的中微子就已经很困难了（形象点说，SNO探测器用了1000吨重水在240多天里总共才探测到1169个中微子事例，而每秒钟、每平方厘米的地面上大概就落下600亿个太阳产生的中微子），但是还是可以的，这是原则上不可以。
右手的中微子不参与任何反应，这等于说它不带任何相互作用的荷。对于这样的纯中性的粒子，实际上可以有一种不同的获得质量的机制。前面我们说到了Higgs玻色子，它的真空期望值是所有基本粒子质量的起源（简洁而抽象的解释是quark和轻子的质量实际上需要左手和右手的quark和轻子耦合，而这样的规范对称性只有通过再加上相当于左手的Higgs玻色子才能够得到保证，只有这样构造质量的方式才能满足所有的对称性）。但是对于纯粹中性的右手中微子就可以不这样，通过两个右手粒子的耦合产生质量是允许的。这样的粒子称为Majorana中微子。

我们费了很大的篇幅讨论右手中微子，但是在历史上物理学家采取的是鸵鸟政策;P ，因为我看不见，所以我就不承认有这个东西。流传很广的观点是，中微子只有左手的，反中微子只有右手的。这样如果要由左手中微子得到右手反中微子的话，除去荷共轭得反物质外，还要同时进行宇称变换从左手到右手。这就把荷共轭和宇称联系起来，称为CP。CP对于出中微子以外的其它粒子也是可以的，有那么几年人们认为CP在自然界中是没问题的。但是在1964年，Cronin和Fitch在中性K介子振荡中发现其实不是这么回事，为此他们得到了1980年的Noble物理奖。

最后剩下的是时间反演变换T，这可以看成微观的世界里时间倒流。这个和我们的关系不是很密切，就不多说了。

在这里我们说的是离散的分立的对称性。前面我们已经涉及到了正反物质之间的对称性，荷共轭变换C。除此以外的，实际上还有宇称P和时间反演T。
说起宇称来，童子们应该知道李政道和杨振宁获得诺贝尔奖的工作就是弱相互作用的宇称不守恒。让我们用更精确的语言来描述一下，实际上由宇称联系起来的两个粒子，可以看成一个是在另一个的镜子里的映像。对我们最重要的是与自旋的联系，认为自旋就是粒子在那里转动的认识无伤大雅，那么朝着粒子前进的方向看过去，我们能看出粒子的转动是顺时针的还是逆时针的（由于量子力学的奇异的效应，如果你沿这个前进方向去测量的话，只能得到完全顺时针或完全逆时针或完全此轴上没有转动等等的状态，不能得到部分转动的状态）。那么镜子里的、由宇称联系起来的粒子，它转动的相对方向自然是相反的。
李杨发现的弱相互作用的不对称性，实际上是弱相互作用只与上面所说的那种前进方向上的自旋是左手方向转动的粒子发生。就是说，如果现实世界中的弱相互作用可以与某个粒子反应，那么镜中的粒子就不可以。这里我们用了这个左手的概念，其实并不需要非常明确的定义粒子是怎么转的，只要和右手的区分开就可以了。
前面所说的真正的基本粒子，实际上费米子的quark和轻子都是要进一步分为左手和右手的，左手的参加弱相互作用，右手的则不。

现在就有了这么一个问题，关于中微子的问题。我们看到中微子只可能参与弱相互作用，可是它也可能有右手的，而右手的又不参与弱相互作用。这么一来，右手的中微子实际上完全不参加任何除引力以外的相互作用，所以我们没法直接用相互作用看到它。其实看到参加弱相互作用的中微子就已经很困难了（形象点说，SNO探测器用了1000吨重水在240多天里总共才探测到1169个中微子事例，而每秒钟、每平方厘米的地面上大概就落下600亿个太阳产生的中微子），但是还是可以的，这是原则上不可以。
右手的中微子不参与任何反应，这等于说它不带任何相互作用的荷。对于这样的纯中性的粒子，实际上可以有一种不同的获得质量的机制。前面我们说到了Higgs玻色子，它的真空期望值是所有基本粒子质量的起源（简洁而抽象的解释是quark和轻子的质量实际上需要左手和右手的quark和轻子耦合，而这样的规范对称性只有通过再加上相当于左手的Higgs玻色子才能够得到保证，只有这样构造质量的方式才能满足所有的对称性）。但是对于纯粹中性的右手中微子就可以不这样，通过两个右手粒子的耦合产生质量是允许的。这样的粒子称为Majorana中微子。

我们费了很大的篇幅讨论右手中微子，但是在历史上物理学家采取的是鸵鸟政策;P ，因为我看不见，所以我就不承认有这个东西。流传很广的观点是，中微子只有左手的，反中微子只有右手的。这样如果要由左手中微子得到右手反中微子的话，除去荷共轭得反物质外，还要同时进行宇称变换从左手到右手。这就把荷共轭和宇称联系起来，称为CP。CP对于出中微子以外的其它粒子也是可以的，有那么几年人们认为CP在自然界中是没问题的。但是在1964年，Cronin和Fitch在中性K介子振荡中发现其实不是这么回事，为此他们得到了1980年的Noble物理奖。

最后剩下的是时间反演变换T，这可以看成微观的世界里时间倒流。这个和我们的关系不是很密切，就不多说了。

作了那么多铺垫之后，现在让我们来给这个问题一个直接的答案：
是，又不是。

所谓是，说的是孤立的物质和反物质，它们的质量精确相等，由守恒量定义的荷精确相反，这些性质上的对称都是绝对的。
所谓不是，是说如果考虑它们的相互作用，那么其相互作用并非是精确的正反物质对称。
其实扯远点，上面我们说的粒子的质量，所带的荷等等物理量，其实并不是一成不变的。我们用了孤立这种不太精确的说法，强调相互作用的影响不予考虑。事实上，通过不同粒子种类的相互作用，粒子的质量和所带的荷都是可以通过一种叫做重整化的机制来修正的。所以并非精确对称的粒子的相互作用，事实上也就诱导了一个对于粒子“静态”性质的不对称的修正。这样从原则上来讲粒子的质量和所带的荷都不是精确对称的。实际上我们并不需要这么深入的讨论。

也许对称的东西好理解，那么为什么会有不对称的相互作用呢？
不对称的根源，其实上面我们已经提到了，是上一贴的CP破坏。那么CP破坏究竟是怎么回事呢？
在这里我们必须要提一下粒子相互作用的量子场论描述。量子场论是现在的物理学家描述微观相互作用的理论。量子场论的相互作用是个完全局域的过程，形式上就要求几个粒子必须凑在4维时空的一个点上，才能发生反应。而反应也非常简单，其几率辐就是几个粒子（的量子力学波函数）乘起来，再乘以一个耦合常数这么简单。在这一个点上，一般都是有新的粒子产生，旧的粒子湮灭。
举个例子。比如最简单的原子氢原子，电子围绕质子转。这其中的电磁相互作用用量子场论来描述，是一个时空点上质子质子和光子耦合，放出一个光子，另一个时空点上电子电子和光子耦合，吸收那个光子，于是光子就传递了电磁作用的力。当然也可以反过来，电子释放质子吸收。这其中我们刚才所提到的耦合常数，就是电荷。实际上这种交换时始终都在进行的，所以电子始终被吸引在质子的周围。而Rutherford的α粒子散射就只能在靠近的那一段时间内才能有效地交换光子。

现在我们关心的是为什么会有CP破坏。其实我们主要用到的还是其中的正反物质之间的对称破坏，即C。它的最终来源，其实是因为耦合常数可以取复值（希望读者都能够明白什么是复数）。
量子场论中的场（或者量子力学中的波函数），都可以是复的，而且最一般的情形应该是复的，至少从数学完备的角度来讲。也正是因为是复的，我们才有了上面提到的电磁等规范相互作用。但是一般我们的物理测量，直接得到的都是实数。这在量子场论上的要求是，理论必须要是厄米的，即形式上取复共轭仍然不变。但是因为场和其复共轭有区别，所以这个厄米性的要求并不能落到每个耦合常数上，而只能是它们的某种组合。如果对于每一个耦合常数都有这个厄米性的要求，就不会有复的耦合常数，也就没有所谓的CP破坏了。
考虑一个粒子反应过程，比如某个粒子衰变，产物可能是粒子反粒子的某种组合，也可能是都取反粒子的相应组合。对于物质的过程耦合常数是某个复数，对于反物质的过程耦合常数是其共轭复数。本来单单考虑这样直接的反应过程，最终得到的产物的几率还是对称的，因为几率正比于复数模的平方，它本身和其复共轭的模平方相等。但是考虑到其实不仅仅是这一个直接的反应，还有些更复杂、涉及中间过程更多的反应，这样会造成不同反应道的量子力学上的干涉。计入这个效应之后，就可以得到产物对于物质或是反物质的一个非常微小的偏向了。

说到底，自然界本身在相互作用的过程中，就不是严格对称的。所以宇宙中正反物质的不对称性，可以直接从这个相互作用的过程得到，而不用求助于初始状态的不对称性。

PS：今天带过了很多。只能说，其实本质上类似于为什么耦合常数应该是复数，而实际上大部分耦合常数实际上是实数之类的问题，物理学家还还不能用非常通俗的语言来讲解。所以我们做和李淼老师一样的假定，读者是天才吧:D

作了那么多铺垫之后，现在让我们来给这个问题一个直接的答案：
是，又不是。

所谓是，说的是孤立的物质和反物质，它们的质量精确相等，由守恒量定义的荷精确相反，这些性质上的对称都是绝对的。
所谓不是，是说如果考虑它们的相互作用，那么其相互作用并非是精确的正反物质对称。
其实扯远点，上面我们说的粒子的质量，所带的荷等等物理量，其实并不是一成不变的。我们用了孤立这种不太精确的说法，强调相互作用的影响不予考虑。事实上，通过不同粒子种类的相互作用，粒子的质量和所带的荷都是可以通过一种叫做重整化的机制来修正的。所以并非精确对称的粒子的相互作用，事实上也就诱导了一个对于粒子“静态”性质的不对称的修正。这样从原则上来讲粒子的质量和所带的荷都不是精确对称的。实际上我们并不需要这么深入的讨论。

也许对称的东西好理解，那么为什么会有不对称的相互作用呢？
不对称的根源，其实上面我们已经提到了，是上一贴的CP破坏。那么CP破坏究竟是怎么回事呢？
在这里我们必须要提一下粒子相互作用的量子场论描述。量子场论是现在的物理学家描述微观相互作用的理论。量子场论的相互作用是个完全局域的过程，形式上就要求几个粒子必须凑在4维时空的一个点上，才能发生反应。而反应也非常简单，其几率辐就是几个粒子（的量子力学波函数）乘起来，再乘以一个耦合常数这么简单。在这一个点上，一般都是有新的粒子产生，旧的粒子湮灭。
举个例子。比如最简单的原子氢原子，电子围绕质子转。这其中的电磁相互作用用量子场论来描述，是一个时空点上质子质子和光子耦合，放出一个光子，另一个时空点上电子电子和光子耦合，吸收那个光子，于是光子就传递了电磁作用的力。当然也可以反过来，电子释放质子吸收。这其中我们刚才所提到的耦合常数，就是电荷。实际上这种交换时始终都在进行的，所以电子始终被吸引在质子的周围。而Rutherford的α粒子散射就只能在靠近的那一段时间内才能有效地交换光子。

现在我们关心的是为什么会有CP破坏。其实我们主要用到的还是其中的正反物质之间的对称破坏，即C。它的最终来源，其实是因为耦合常数可以取复值（希望读者都能够明白什么是复数）。
量子场论中的场（或者量子力学中的波函数），都可以是复的，而且最一般的情形应该是复的，至少从数学完备的角度来讲。也正是因为是复的，我们才有了上面提到的电磁等规范相互作用。但是一般我们的物理测量，直接得到的都是实数。这在量子场论上的要求是，理论必须要是厄米的，即形式上取复共轭仍然不变。但是因为场和其复共轭有区别，所以这个厄米性的要求并不能落到每个耦合常数上，而只能是它们的某种组合。如果对于每一个耦合常数都有这个厄米性的要求，就不会有复的耦合常数，也就没有所谓的CP破坏了。
考虑一个粒子反应过程，比如某个粒子衰变，产物可能是粒子反粒子的某种组合，也可能是都取反粒子的相应组合。对于物质的过程耦合常数是某个复数，对于反物质的过程耦合常数是其共轭复数。本来单单考虑这样直接的反应过程，最终得到的产物的几率还是对称的，因为几率正比于复数模的平方，它本身和其复共轭的模平方相等。但是考虑到其实不仅仅是这一个直接的反应，还有些更复杂、涉及中间过程更多的反应，这样会造成不同反应道的量子力学上的干涉。计入这个效应之后，就可以得到产物对于物质或是反物质的一个非常微小的偏向了。

说到底，自然界本身在相互作用的过程中，就不是严格对称的。所以宇宙中正反物质的不对称性，可以直接从这个相互作用的过程得到，而不用求助于初始状态的不对称性。

PS：今天带过了很多。只能说，其实本质上类似于为什么耦合常数应该是复数，而实际上大部分耦合常数实际上是实数之类的问题，物理学家还还不能用非常通俗的语言来讲解。所以我们做和李淼老师一样的假定，读者是天才吧:D

希望大家都来提点意见。哪些地方觉得不明白是我写的问题，怎么写能看得更明白，怎么写能更有意思点:handshake

希望大家都来提点意见。哪些地方觉得不明白是我写的问题，怎么写能看得更明白，怎么写能更有意思点:handshake

前面我们的讨论可谓是直奔根源，物质和反物质反应中的不对称性。当然还有很多问题没有解决，现在我们来看看这样一个问题：
在所有的反应中，重子数和轻子数是守恒的吗？
也许我们应该再回顾一下，重子数轻子数的概念。前面介绍到，三个quark组成的粒子是重子，它参与强相互作用。这里的三个quark要么都是粒子，这样的话这个重子属于物质；要么都是反粒子，这就是反物质的重子。把这么一个重子的重子数1分到三个quark上，那么每个quark所带重子数就是1/3；反quark则是-1/3。对于另外的介子，每个都是quark和反quark，所以重子数始终为0。轻子则没有这么几个组成一个的问题，直接每个轻子都带1的轻子数，反物质的则是-1。

问题是，我们日常生活，甚至包括已经在高能物理实验中观测到的反应，还没有直接观测到重子数不守恒的反应。童子们都知道衰变β衰变，这里是一个中子衰变成一个质子，当然还有电子以保证电荷守恒，以及电子中微子以保证轻子数守恒。中子和质子重子数都是1。事实上，高中物理的内容，如果要童子们写出一个核反应的方程式的话，不管是热核反应的一步还是衰变，大家都可以查反应物和产物中的质子数和中子数的总和，无一例外的都是相等的，不相等就错了。轻子的也是一样，像上面一样，什么地方出来一个电子，就要有一个反电子中微子。
事实上，真正有条件检验重子数是不是一个真正守恒的物理量的专门设计的高能物理实验，到目前为止也还没有否定重子数守恒的直接结果。最典型最直接的质子衰变实验，因为质子是最轻的重子了，所以它衰变不可能到达重子，这在能量上是不允许的，它只要衰变就必然违背重子数守恒。但是到目前为止，人们用了很多吨物质，周围摆满了探测器，看里面的质子是否衰变，还是没有得到肯定的结果。
那么，如果所有的反应重子数都守恒，那么宇宙总的重子数就不可能有变化。如果初始状态是对称的，即使由CP破坏引入了涉及正反物质的反应速率的不对称性，生成正反物质的组合的速率不同，但还是没有办法产生净的重子数。所以，其实存在重子数轻子数破坏的反应是生成正反物质不对称性的第一个前提。

但是，理论上的研究，还是展示了重子数轻子数不守恒的可能性。重子数轻子数在量子场论中，是由quark构成的矢量流。量子场论中有一种叫做反常的机制，反常是对于任何规范相互作用的，而弱相互作用只作用于左手的粒子，不作用于右手的。这样弱相互作用的反常直接作用于左手粒子的矢量流，可以使得这些对称性在量子的层次上被破坏。这里的细节太技术了，我们也不想涉及。总之由于反常，使得在通常条件下守恒的重子数轻子数在特定高能高温条件下就不守恒了。我们所有做过的实验，则还没达到这样的程度。
符合上述原理的实际上的反应，最典型的是一次产生12个粒子的作用，其中9个是quark，3个是轻子。这个反应重子数和轻子数都改变3。它其实是宇宙早期的弱相互作用的规范场的拓扑性质在热涨落下的改变，学术上叫做sphaleron。在常温下发生的机率极小，但是在宇宙早期的高温环境中，是有充分的速率发生，来产生净的重子轻子数的。

除去上面所说的要有重子数不守恒的反应和CP破坏的反应外，要形成正反物质的不对称，最后所差的条件就是宇宙在形成这个不对称时要脱离热平衡。
这个其实相对来说容易理解一些。热平衡的状态，是各个种类，各个运动状态的粒子数达到平衡分布的状态。对于日常生活中，所谓热平衡只有各个运动状态的粒子的粒子数这么一个问题，因为一般没有粒子之间生成其它种类粒子的反应，粒子的种类是固定的。总体来说，在保证粒子数守恒的条件下，越高能量的粒子数量越少，大多数情况下近似是一个指数衰减（精确地说是Bose-Einstein分布、Fermi-Dirac分布），随能量衰减的快慢则取决于体系的温度，温度出现于指数上分式的分母上。
现在我们研究宇宙，其实我们可以反推回宇宙在任意时刻的温度。这样每一种粒子都遵循上面我们所说的温度出现于指数上的分式分母的分布，其实就唯一决定了。考虑某一种粒子的正反粒子，因为其质量相同，所以由质能关系，在可能的运动状态上其能量也相同，这样由上述热平衡决定的其粒子数也相同（其中实际上还有一个正反物质的化学势也相等的问题）。所以宇宙如果各组分始终保持热平衡，那热平衡就已经决定了正反物质的对称。所以要脱离热平衡在这个逻辑下是很显然的。

宇宙脱离热平衡这个要求，其实是唯一看起来算是显然，而又容易实现的要求。因为现在的宇宙，我们的星系，我们的地球，显然是脱离热平衡的。要不然在热运动中，是不会有我们人类、地球和这个世界的。实际上，目前唯一还处在热平衡状态的宇宙成分，是无质量的光子和几乎无质量的中微子。在宇宙演化的历史上，一次次发生的是各种粒子成分从热平衡状态下脱离出来，当然大部分是还处在宇宙很早期的时候。还处在热平衡状态的粒子组分，直译过来叫做热浴（heat bath）。

现在的问题是把脱离热平衡和产生出净的重子数轻子数联系起来，要求其能够同步做到。这其实有两种不同的机制，一种是上一贴说过的，热涨落引起的sphaleron过程，涨落自然就是脱离热平衡；另一种则是已经脱离了热平衡的粒子不稳定发生衰变而产生不对称性。这些还是将来再展开来说吧

那么到这一帖为止，基本的产生正反物质不对称性的三个必要条件实际上都已经介绍了：重子数轻子数不守恒的反应，CP破坏（实际上宇称P也要求破坏，但是这已经在弱相互作用中自然的做到了），脱离热平衡的反应。这三个条件由这一行当的开山鼻祖Sakharov在1967年提出来，并且以他的名字命名。死记硬背记住它都是肯定没错的:D

除去上面所说的要有重子数不守恒的反应和CP破坏的反应外，要形成正反物质的不对称，最后所差的条件就是宇宙在形成这个不对称时要脱离热平衡。
这个其实相对来说容易理解一些。热平衡的状态，是各个种类，各个运动状态的粒子数达到平衡分布的状态。对于日常生活中，所谓热平衡只有各个运动状态的粒子的粒子数这么一个问题，因为一般没有粒子之间生成其它种类粒子的反应，粒子的种类是固定的。总体来说，在保证粒子数守恒的条件下，越高能量的粒子数量越少，大多数情况下近似是一个指数衰减（精确地说是Bose-Einstein分布、Fermi-Dirac分布），随能量衰减的快慢则取决于体系的温度，温度出现于指数上分式的分母上。
现在我们研究宇宙，其实我们可以反推回宇宙在任意时刻的温度。这样每一种粒子都遵循上面我们所说的温度出现于指数上的分式分母的分布，其实就唯一决定了。考虑某一种粒子的正反粒子，因为其质量相同，所以由质能关系，在可能的运动状态上其能量也相同，这样由上述热平衡决定的其粒子数也相同（其中实际上还有一个正反物质的化学势也相等的问题）。所以宇宙如果各组分始终保持热平衡，那热平衡就已经决定了正反物质的对称。所以要脱离热平衡在这个逻辑下是很显然的。

宇宙脱离热平衡这个要求，其实是唯一看起来算是显然，而又容易实现的要求。因为现在的宇宙，我们的星系，我们的地球，显然是脱离热平衡的。要不然在热运动中，是不会有我们人类、地球和这个世界的。实际上，目前唯一还处在热平衡状态的宇宙成分，是无质量的光子和几乎无质量的中微子。在宇宙演化的历史上，一次次发生的是各种粒子成分从热平衡状态下脱离出来，当然大部分是还处在宇宙很早期的时候。还处在热平衡状态的粒子组分，直译过来叫做热浴（heat bath）。

现在的问题是把脱离热平衡和产生出净的重子数轻子数联系起来，要求其能够同步做到。这其实有两种不同的机制，一种是上一贴说过的，热涨落引起的sphaleron过程，涨落自然就是脱离热平衡；另一种则是已经脱离了热平衡的粒子不稳定发生衰变而产生不对称性。这些还是将来再展开来说吧

那么到这一帖为止，基本的产生正反物质不对称性的三个必要条件实际上都已经介绍了：重子数轻子数不守恒的反应，CP破坏（实际上宇称P也要求破坏，但是这已经在弱相互作用中自然的做到了），脱离热平衡的反应。这三个条件由这一行当的开山鼻祖Sakharov在1967年提出来，并且以他的名字命名。死记硬背记住它都是肯定没错的:D

宇宙的最早期是纯能量的。之后宇宙膨胀，温度下降，创生物质。但这个由能量创生物质的过程并不是单向的。而是一个反复的产生粒子反粒子，粒子反粒子又湮没成能量的过程。而粒子和反粒子湮没成能量的速度是不一样的，反粒子湮没的速度要略微快一点（好像只是快10亿分之一），这一点微小的速度差距才产生了今天的正物质宇宙。

楼主现在做的，就是详细解释这点微小的速度差距是怎么来的吧

让我想起了《CT飞船》

差不多吧，多谢你把还没说到的物理图象都说出来了
不对称的程度基本上也差不多
不过第一句话有问题。宇宙的最早期是纯辐射的。因为温度远高于所有粒子的质量，所以所有粒子的运动都是极端相对论性的。这只能叫做辐射，不能叫能量:handshake

前面介绍得比较零碎，索性就接着仓木MM的话把这个过程说的精确点
在宇宙的极早期，大概Planck时间以内，是要用量子引力理论来描述的，现在的理论是无能为力的，这大概对应于10^-44（10的负44次方）秒以前。在这之后，物理学家至少不再是一无所知了。

首先相信大家是不会怀疑那段神奇的时间内，宇宙是极热的。实际上温度的度量是粒子热运动的平均动能。那个时期温度极高，使得热运动的动能远远超出粒子的质量由质能关系决定的静止能量，对于所有粒子都是这样，就是上面说的“温度远高于所有粒子的质量，所以所有粒子的运动都是极端相对论性的”的原因。那么考虑宇宙的中的粒子成分，根据上一帖中提到的Bose-Einstein分布、Fermi-Dirac分布的形式，就可以得到那个时期宇宙中的各种粒子的数目都是几乎相等的。
随着宇宙的膨胀，温度在下降。精确的关系是，时间增大两个量级，温度下降一个量级，宇宙尺度也增加一个量级。到某个时刻，终于某种粒子的质量（还是像上面一样由质能关系换算成能量）作为确定的值开始等于那个时刻的宇宙的温度决定粒子热运动的平均动能了，那么这种粒子就不再是相对论性的，通俗地说，也就是说粒子的动能可以用1/2mv^2来表示了。这是对于这种粒子的一个方面的转变。
这个过程自然是重的粒子非相对论性转变早，越轻的则越晚。一个典型的值是，在大爆炸之后1秒，宇宙的温度以粒子热运动平均动能来度量，大概是1兆电子伏。在这个时期常见的粒子种类中，质量为几个兆电子伏的quark已经是非相对论性的了，大概半个兆电子伏的电子则还是。时至今日，应该只有光子还是相对论性的，因为它是绝对无质量的（胶子虽然无质量但被禁闭了），大爆炸剩下来的光子就形成了也许童子们听说过的宇宙微波背景辐射。因为中微子的质量级别未知，所以它的情况还不是很清楚。顺便说一句，今天的2.73K的微波背景辐射的温度，就对应于刚提到的大爆炸之后1秒时大概是1兆电子伏的温度，也对应于极早期更高、高得大家都没什么概念的温度。

一个更有用宇宙早期粒子组分变化，是相互作用的“退耦”与否。当然宇宙早期，粒子平均能量极高，密度也极高，所以发生相互作用的速度极高。另一方面，确实存在着时间太短的问题，比如我们考虑的动辄都是宇宙最初10^-30秒之内的粒子的反应，可能会有童子担心这么短时间来不及充分发生反应的问题。所幸一般的分析表明，对于所有种类的粒子，前面提到的大平均能量和密度引起的反应速率增大是主导的，所以都发生了充分的反应。实际上，越到宇宙早期，反应速率量级上的增大超过了反应时间量级上的减小。也正是因为这个道理，实际上过了宇宙的早期，不考虑后来形成了恒星等等之后，对于一个粒子来说，实际上就不会再发生和其他粒子的碰撞的反应。如果一个种类的粒子，随着宇宙膨胀粒子密度降低反应速率减小，从某个时刻起，其期望的相互作用次数降到1，那么实际上它与其他的粒子组分就不能再充分的相互作用。充分的相互作用是耦合，那么现在就是退出耦合，就是退耦了。
一般我们都考虑的所有粒子都与之耦合的公共成分，就是上一帖提到的heat bath。事实上今天几乎所有的粒子都退耦了。

还处于耦合中的粒子，能充分的相互作用也就等于处于热平衡中，其粒子数大体上就是由Bose-Einstein分布（对玻色子）、Fermi-Dirac分布（对费米子）给出的。耦合得越好，与标准的分布的偏差越小。脱耦之后就不再受此约束，重的粒子在没有什么守恒定律约束的情况下，可以发生衰变到轻的粒子，同时释放出能量。释放出来的能量实际上加热了heat bath，也就同时加热了其他还没有脱耦的成分。

今天就写这么多吧，属于介绍历史规律。真正的历史交给明天:D

前面介绍得比较零碎，索性就接着仓木MM的话把这个过程说的精确点
在宇宙的极早期，大概Planck时间以内，是要用量子引力理论来描述的，现在的理论是无能为力的，这大概对应于10^-44（10的负44次方）秒以前。在这之后，物理学家至少不再是一无所知了。

首先相信大家是不会怀疑那段神奇的时间内，宇宙是极热的。实际上温度的度量是粒子热运动的平均动能。那个时期温度极高，使得热运动的动能远远超出粒子的质量由质能关系决定的静止能量，对于所有粒子都是这样，就是上面说的“温度远高于所有粒子的质量，所以所有粒子的运动都是极端相对论性的”的原因。那么考虑宇宙的中的粒子成分，根据上一帖中提到的Bose-Einstein分布、Fermi-Dirac分布的形式，就可以得到那个时期宇宙中的各种粒子的数目都是几乎相等的。
随着宇宙的膨胀，温度在下降。精确的关系是，时间增大两个量级，温度下降一个量级，宇宙尺度也增加一个量级。到某个时刻，终于某种粒子的质量（还是像上面一样由质能关系换算成能量）作为确定的值开始等于那个时刻的宇宙的温度决定粒子热运动的平均动能了，那么这种粒子就不再是相对论性的，通俗地说，也就是说粒子的动能可以用1/2mv^2来表示了。这是对于这种粒子的一个方面的转变。
这个过程自然是重的粒子非相对论性转变早，越轻的则越晚。一个典型的值是，在大爆炸之后1秒，宇宙的温度以粒子热运动平均动能来度量，大概是1兆电子伏。在这个时期常见的粒子种类中，质量为几个兆电子伏的quark已经是非相对论性的了，大概半个兆电子伏的电子则还是。时至今日，应该只有光子还是相对论性的，因为它是绝对无质量的（胶子虽然无质量但被禁闭了），大爆炸剩下来的光子就形成了也许童子们听说过的宇宙微波背景辐射。因为中微子的质量级别未知，所以它的情况还不是很清楚。顺便说一句，今天的2.73K的微波背景辐射的温度，就对应于刚提到的大爆炸之后1秒时大概是1兆电子伏的温度，也对应于极早期更高、高得大家都没什么概念的温度。

一个更有用宇宙早期粒子组分变化，是相互作用的“退耦”与否。当然宇宙早期，粒子平均能量极高，密度也极高，所以发生相互作用的速度极高。另一方面，确实存在着时间太短的问题，比如我们考虑的动辄都是宇宙最初10^-30秒之内的粒子的反应，可能会有童子担心这么短时间来不及充分发生反应的问题。所幸一般的分析表明，对于所有种类的粒子，前面提到的大平均能量和密度引起的反应速率增大是主导的，所以都发生了充分的反应。实际上，越到宇宙早期，反应速率量级上的增大超过了反应时间量级上的减小。也正是因为这个道理，实际上过了宇宙的早期，不考虑后来形成了恒星等等之后，对于一个粒子来说，实际上就不会再发生和其他粒子的碰撞的反应。如果一个种类的粒子，随着宇宙膨胀粒子密度降低反应速率减小，从某个时刻起，其期望的相互作用次数降到1，那么实际上它与其他的粒子组分就不能再充分的相互作用。充分的相互作用是耦合，那么现在就是退出耦合，就是退耦了。
一般我们都考虑的所有粒子都与之耦合的公共成分，就是上一帖提到的heat bath。事实上今天几乎所有的粒子都退耦了。

还处于耦合中的粒子，能充分的相互作用也就等于处于热平衡中，其粒子数大体上就是由Bose-Einstein分布（对玻色子）、Fermi-Dirac分布（对费米子）给出的。耦合得越好，与标准的分布的偏差越小。脱耦之后就不再受此约束，重的粒子在没有什么守恒定律约束的情况下，可以发生衰变到轻的粒子，同时释放出能量。释放出来的能量实际上加热了heat bath，也就同时加热了其他还没有脱耦的成分。

今天就写这么多吧，属于介绍历史规律。真正的历史交给明天:D

这世界既然存在，就不能有太多反物质，或者说正是没有太多反物质，这世界才存在。这是个哲学命题。

原本打算回复LZ，说说自己的想法，可是看了LZ写的内容，忽然不敢说话了。LZ系专业人士啊！偶不敢关公面前卖弄了。继《时间简史》《果壳中的宇宙》后，来此继续学习 :-)
帮LZ顶一下

原本打算回复LZ，说说自己的想法，可是看了LZ写的内容，忽然不敢说话了。LZ系专业人士啊！偶不敢关公面前卖弄了。继《时间简史》《果壳中的宇宙》后，来此继续学习 :-)
帮LZ顶一下

谢谢大家的支持。
其实我学这个方向的时间也不是很久，才刚几个月。很多东西都只是才知道皮毛，有的好多天连皮毛也没看懂。正儿八经的论文还差十万八千里呢
大家尽管来交流，别有什么顾虑。
18楼的哲学问题。其实呢，现代物理学中也有这个逻辑，叫做人择原理。就是我们的宇宙之所以是这样，是因为不是这样，就没有办法演化出问这个问题的我们人类等智慧生物。

从Planck时间10^-44秒出来以后，到大约10^-35秒（可能还要早几个数量级）左右，温度在10^15GeV（GeV是10^3MeV，即上帖说的10^3兆电子伏）以上。这一段时间是所谓的大统一时期。大统一即是指强、弱、电磁三种相互作用统一成一种共同的相互作用。其实按照现在流行的看法，这个大统一应该是超对称的大统一，即不仅仅有三种相互作用的统一，还有玻色子和费米子的对称性。按现在的理解，物理学在那个时期反而是非常简洁优美的。
我们关心的是粒子组分。那个时候至少会有大统一理论中预言的各种粒子，还有其超对称伴随粒子。粒子种类的具体数字依赖于人们构造的各种模型，不过应该是成百上千的，也许更多。很多粒子都是有着奇怪性质的，比如磁单极子。到10^-35秒左右，大统一开始破缺（这个地方的破缺就是我们前面7楼提到的对称性自发破缺），强相互作用分离出来。因为原来大统一理论中的很多种粒子质量都应该是大统一实现的能量级别的，所以再往后根据我们上一帖所讲的机制，它们就开始向非相对论性转变。而且它们的相互作用几率其实也是和大统一实现的能量级别有关，到后来相互作用变弱，也就从heat bath中退耦出来。然后它们大多数可以衰变到更轻的粒子，但也有稳定的，比如磁单极子。

如果这个过程的痕迹能保持到今天的话，那将是物理学家的一笔财富。很可惜它并没有保持到现在。或许物理学家反而应该庆幸，因为没有保持到现在实际上避免了很多头痛的问题。这个机制就是暴胀。
也许很多童子们都听说过这个暴胀（inflation）。是在宇宙早期一段时间内，宇宙的膨胀越来越快，实际是以指数的形式加速的。暴胀究竟发生在哪一段时间还是未解之谜，其实很有可能它就是刚讲到的大统一破缺的结果，这样的话它其实是和大统一破缺同步的；当然也有可能是比较靠后的，比如10^-15秒左右。其实暴胀的这一段和今天宇宙的暗能量问题，它所驱动的加速膨胀形式一模一样，只不过是在宇宙极早期发生的罢了。它可以解释宇宙的均匀性、平坦性、结构起源等等疑难，这个可以找到相关的科普，在这里就不多介绍了。
要说的是，驱动暴胀的一般认为是一种标量粒子，就像前面所说的Higgs玻色子一样。在暴胀期间可以认为它的密度是常数，不随时间变化的；而其他粒子种类，是被指数膨胀稀释的（等效的直接解释是，我们今天的整个可见宇宙是从指数小的那么大的区域内膨胀产生出来的，那么小的区域内粒子就很少）。所以到最后宇宙中只剩下这种标量粒子，其他的都被稀释得极其极其稀少了。比如上面提到的磁单极子，原来的估计是没有暴胀的话，磁单极子的密度到了我们应该发现的水平。但是考虑暴胀的影响，磁单极子被稀释了大约e^50倍，所以还没有发现。
和磁单极子这些只有在大统一条件下才能产生的粒子不同，现在我们了解得比较多的粒子，也包括了我们还不了解的暗物质粒子，可以肯定的是它们都可以从暴胀后的那种标量粒子的衰变的过程中被产生出来。这些粒子其实在前面的大统一破缺之后也有，不过那一段时间保留到我们今天的那些，都由上面的指数稀释作用，稀释得少得可以忽略不计了。

在这里介绍暴胀，其实的目的是想说：暴胀可以看成是实际上宇宙中粒子组分演化的开始。因为在那之前的东西都被指数膨胀稀释掉了。这实际上确定了各个粒子组分演化的初始条件。当然这个初始条件还要看暴胀的标量场是怎么衰变的，衰变道分支比各是多少，才能决定初级产物。然后初级产物再发生相互作用产生其他种类的粒子，其他种类粒子再发生相互作用产生再其他种类的粒子，这个链条不断进行下去，才能最终又产生出所有种类的粒子来，而且达到其热平衡状态的分布。这才把暴胀之后一切“恢复正常”。
回归主要问题。就笔者目前的知识水平来看，至少在暴胀的标量场直接衰变的这一步来说，是没有正反物质的不对称性的。不对称性的来源，考虑不同的理论模型，在此链条中可能有不同位置的出处，这都是下面要讨论的，但是都不会是第一步。就是说，不仅仅是原则上宇宙的初始条件是对称的，实际上物理学可以论证宇宙一直演化到暴胀时期也还是正反物质对称的，不对称性来自于后面的演化。

20# huor


人择原理其实就是典型的鸵鸟政策，用结果来解释原因:D

有同学给我指出，上面的论述中的，有一些在物理学界还存在一定的争议。
比如同学说到的CP破坏，他以及其他一些物理学工作者认为尚不能明确肯定存在。但是俺不是这么认为:D
快达到我认识的尽头了，同时俗事开始增多，师兄导师的也要我做点严肃的研究了。更新放慢请谅解

科普写的很好，忍不住专门注册帐号来顶：）
btw：错别字也忒多了点吧，负几率变成了复几率 :)

主要内容来自时间简史那本书啊……

越来越发现后面的东西我自己还没有彻底的理出一个完整的头绪来，恐怕有点难产，见谅啊
还得加紧看论文啊

huor 发表于 2009-6-22 16:47
关于微波背景辐射，我以前看到的解释跟你这个不同
我以前看到的说法是：在大爆炸后30多万年（接近40万年），宇宙温度降到了几千K。这个时候原子核开始俘获电子（在这之前电子是自由的，是离子态），而微波背景辐射正是原子核俘获电子发出的光

这个微波背景辐射的产生确实和原子核俘获电子相联系的，但是“微波背景辐射正是原子核俘获电子发出的光”是有问题的。微波背景辐射的光子本身在原子核俘获电子之前也一直存在，并不能理解成那个过程才第一次发出了光子。
实际上在那段时期，最初大爆炸或暴胀后产生出来的还没脱耦的粒子组分也就只剩下了：光子、电子、原子核。这其中光子是一直存在的。原子核中含有质子中子，大概1/4的重子是作为氦核存在，这是宇宙最初3分钟原初核合成所形成的，其他的就是质子。而微波背景辐射的产生时间大概是30万年。
大概30万年左右的时期，发生的事是最终宇宙中绝大多数光子不再与电子发生散射（光子的相互作用次数的期望值减为0），剩下来的光子才能叫微波背景辐射。如果光子还要发生相互作用的话，对象应该是电子，因为散射截面大。光子如果还能和电子发生散射的话，那么电子也没法和原子核结合成原子。所以光子脱耦和电子和原子核结合成原子的过程是相联系的。在时间上，学术方面细致的定义会给出那么一点点先后来，结合成原子稍早一些，光子退耦稍晚；但实际上也广泛采用同时的说法。
最后一个问题是，光子在原子核和电子结合之前就有，那么这个结合的过程是否也会贡献出光子呢？这个问题其实意义不大，因为很明确的是过程即使发出光子，数量也太少。目前我们很明确的观测到，宇宙中重子和光子的数量比值大概是6*10^-10，就是说在那个时期原子核或电子相对于光子的数量比差不多也是这个级别。每一个原子核和电子结合时，能够发出的光子都是以个位数来记的，所以比起那个时候的一直剩下来的光子数来实在是太少了。

按原定计划是应该写“反应过程的基本图像3”等等的，但是这个完整的历史写得周全很不容易，所以这里先跳过了:$

其实从上面两个帖子的论述中，童子们应该可以看出来。我们关心的正反物质不对称的起源，在时间上就发生在两个帖子描述的那两段时间之间。在暴胀结束之后，宇宙还是正反物质对称的；到了形成微波背景辐射的的阶段，就只剩下（正）物质了。
其实我们还能够进一步的限定这个正反物质不对称产生的时间段。微波背景辐射大概形成于宇宙年龄30万年，这相比前面讨论的过程来说已经非常非常晚了。实际上，这个下限可以大大的往前推。考虑宇宙年龄大约3分钟的时间段（叫做原初核合成），这个时候第一批除去氢之外的原子核开始形成。在这个时候，物理学家也就认为，正反物质的不对称已经产生了，即原初核合成只是对于物质粒子。其实是因为在纯物质的条件下，按照现在的理论来计算，所得的结果和现在的宇宙学观测吻合得很好，加入反物质必然破坏这种吻合。
其实还有更深层的原理。正反物质不对称不可能是低能物理的现象，只可能发生在高能物理过程中。宇宙中越晚的时刻，高能物理现象就发生得越少，所以正反物质不对称起源一般来说，应该尽量往前推。当然限制是暴胀。

其实目前学术界还没有公认的正反物质不对称产生的确切机制，这也是笔者犹豫，觉得写下去不容易的一个原因。不过主流的是两种假说，分别叫做baryogenesis和leptogenesis。
它们的意思其实可以从字面来理解，分别是baryon-genesis和lepton-genesis，在组成词的时候都把前面一个词最后的n去掉了。baryon和lepton分别就是重子和轻子的意思，那么顾名思义，就是正反物质不对称性分别来自于重子和轻子。后面的genesis可以指圣经的《创世纪》那一章，当然也可以翻译成起源。笔者倒是觉得翻译成创世纪更有意思一些。要不是有这两个genesis的话（当然目前还只是假说），这个宇宙正反物质一样多，只能湮灭成一片光，万物也都无从谈起（这样的话相当于上帝只做了第一天的工作）。所以其意义不下于圣经的创世纪。

马上回家了{:3_97:}，家里上不了网交不了差。出发之前争取多写点

先介绍重子创世纪，是因为在物理学史上这是先被研究的情况。这在思路上比较直接。因为观测到的正反物质的不对称很明显的表现在重子数上，就是质子重子这些。而在轻子的部分，因为我们到现在也不能有效的直接观测到从大爆炸残留下来的heat bath中的中微子，它对于今天的技术来说太难以探测了，所以不能直接根据实验数据说轻子的正反不对称性有多大。要是heat bath中探测不到的中微子明显偏向于反中微子呢？虽然理论上不是这样，但是直接观测上没法这么说。研究明确观测到的重子的比较直接，虽然我们下面看到，重子和轻子的正反不对称形式可以转化的。

创世纪的第一步还是先要找到CP破坏的源头。这在重子创世纪中是因为实际上直接存在破坏CP对称性的基本相互作用。事实上，C、P、T这些基本的分立对称变换，如果让它们来变换某个相互作用的话，往往可以给出±1的系数。如果所有相互作用都给出+1的系数，那么整套相互作用在这些分立变换下不变，我们也就说物理理论具有这样的分立对称性。
在这里说的重子创世纪中的CP破坏的源头，用数学的形式写出来，主要的部分是两个（前面提到的三种）规范场的场强张量乘在一起然后用全反对称张量来收缩，将CP变换结合在一起按照指定的法则，这样的项可以得到-1，就破坏了CP对称性。实际上，这种相互作用是非常特别的（当然其实我们也没有写出其它的不那么特别的相互作用，大家看不出来也难怪:D）。这里我们必须求助于一些数学上的拓扑和微分几何方面的知识。这样的相互作用，如果在作用量当中积分完成后，只能取离散值，经过合式的归一化后始终可以给出整数，实际上我们也正是这么做的。
这是一个很神奇的性质。想想无论宇宙当中物质怎么分布，相应决定的各种规范场的场强怎么分布，这样的一个积分总是整数。这是由数学上微分流形上的微分“形式”场的积分可以化为拓扑上的上同调的性质给出的，我们的大数学家陈省身对此居功至伟，这样的微分“形式”就叫做陈类。回到正体，这就是说，这样的相互作用可以称为是离散的。用物理上更精确的语言来说，这是非微扰（对于微小扰动的一种数学逐阶展开近似计算的方法）的相互作用。明白量子场论Feynman图的童子们，可以把微扰的相互作用转化成Feynman图来计算；但是对这个不行。

上面说的是三种规范相互作用，因为它们都可以破坏CP，也都是非微扰的。但是我们还要考虑要产生重子的确切要求。我们前面提到了重子数的改变是通过弱相互作用，左右不对称加上反常的机制。所以实际上用的相互作用也就是弱相互作用，弱相互作用作为规范理论的场强构成的上述特别的相互作用形式。
最后实际上有效的相互作用是由这种CP破坏的弱相互作用场强乘积的若干个组合，可以转化成前面所说的一次产生12个（物质）粒子，9个quark和3个轻子的有效的相互作用。

先介绍重子创世纪，是因为在物理学史上这是先被研究的情况。这在思路上比较直接。因为观测到的正反物质的不对称很明显的表现在重子数上，就是质子重子这些。而在轻子的部分，因为我们到现在也不能有效的直接观测到从大爆炸残留下来的heat bath中的中微子，它对于今天的技术来说太难以探测了，所以不能直接根据实验数据说轻子的正反不对称性有多大。要是heat bath中探测不到的中微子明显偏向于反中微子呢？虽然理论上不是这样，但是直接观测上没法这么说。研究明确观测到的重子的比较直接，虽然我们下面看到，重子和轻子的正反不对称形式可以转化的。

创世纪的第一步还是先要找到CP破坏的源头。这在重子创世纪中是因为实际上直接存在破坏CP对称性的基本相互作用。事实上，C、P、T这些基本的分立对称变换，如果让它们来变换某个相互作用的话，往往可以给出±1的系数。如果所有相互作用都给出+1的系数，那么整套相互作用在这些分立变换下不变，我们也就说物理理论具有这样的分立对称性。
在这里说的重子创世纪中的CP破坏的源头，用数学的形式写出来，主要的部分是两个（前面提到的三种）规范场的场强张量乘在一起然后用全反对称张量来收缩，将CP变换结合在一起按照指定的法则，这样的项可以得到-1，就破坏了CP对称性。实际上，这种相互作用是非常特别的（当然其实我们也没有写出其它的不那么特别的相互作用，大家看不出来也难怪:D）。这里我们必须求助于一些数学上的拓扑和微分几何方面的知识。这样的相互作用，如果在作用量当中积分完成后，只能取离散值，经过合式的归一化后始终可以给出整数，实际上我们也正是这么做的。
这是一个很神奇的性质。想想无论宇宙当中物质怎么分布，相应决定的各种规范场的场强怎么分布，这样的一个积分总是整数。这是由数学上微分流形上的微分“形式”场的积分可以化为拓扑上的上同调的性质给出的，我们的大数学家陈省身对此居功至伟，这样的微分“形式”就叫做陈类。回到正体，这就是说，这样的相互作用可以称为是离散的。用物理上更精确的语言来说，这是非微扰（对于微小扰动的一种数学逐阶展开近似计算的方法）的相互作用。明白量子场论Feynman图的童子们，可以把微扰的相互作用转化成Feynman图来计算；但是对这个不行。

上面说的是三种规范相互作用，因为它们都可以破坏CP，也都是非微扰的。但是我们还要考虑要产生重子的确切要求。我们前面提到了重子数的改变是通过弱相互作用，左右不对称加上反常的机制。所以实际上用的相互作用也就是弱相互作用，弱相互作用作为规范理论的场强构成的上述特别的相互作用形式。
最后实际上有效的相互作用是由这种CP破坏的弱相互作用场强乘积的若干个组合，可以转化成前面所说的一次产生12个（物质）粒子，9个quark和3个轻子的有效的相互作用。

有了上面的相互作用，那么它们发生在什么场合下呢？前面我们提到了个名词叫sphaleron，那么它是什么东西呢。
英语当中的spha-这个词根，大概可以翻译成球孢之类的东西，有一种球对称生长的意义在里面。它非常形象地描述了这个重子创世纪的发生的图像。其实完全可以把它看成是沸腾的水中产生气泡然后迅速长大的沸腾过程，这个“气相”产生于“液相”中的泡泡长大的过程，发生在宇宙的早期就是sphaleron。所不同的是这里的两个相自然不是水的液相和气相，而是真空的相。说的不那么玄乎一点，就是Higgs标量场的相。
这当中涉及了为什么Higgs标量场会有相变，这和对称性的自发破缺有关。在前面我们也说了这是密切相关的，在这里值得用一篇的篇幅来介绍。

前面我们也说到了，Higgs玻色子目前比较流行的高能物理理论中唯一的标量场，可以有非0的真空期望值。这个真空期望值的取值结合具体的理论，就给出了真空的能量。
可能这个问题会吸引比较多的关注：真空究竟是什么？当然在日常的意义上，是一无所有，连空气都被抽干了。但是其实又不是一无所有。有一个有趣的叫做Casmir的效应
http://zh.wikipedia.org/w/index. ... 9&variant=zh-cn
只能用真空不空，其中还存在着量子场的振荡这样的观点来解释。所以我们相信量子场论的定义，真空是量子场的基态，虽然仍然有振荡。打个通常的比方，这就像是在地球表面找最低点一样，如果四周都比它高，那么这点就是真空。而振荡可以看成是往上爬的尝试。其实这样的类比是很准确的，这里的地理坐标相当于Higgs标量场的取值。更重要的一点，这个图像表明了这个所谓的真空只是个局域的概念，一块区域的最低点并不是全球的最低点。整体上完全可以有更低的位置，按海拔来算，湖底低不过玛丽亚娜海沟，可也可以是真空。
那么接下来是，真空有没有能量，有的话能量究竟是多少？现在的量子场论中的回答是，对于一个确定的理论——主要指相互作用的形式和强度——来说（这就相当于把全球地形都确定了），是全球的最低点能量为0，比它高的都有能量，正比于势能差。如果去翻英文的文献，即使它不用地形这样的类比，确实说的是Higgs标量场，那整体上的最低点整体上的这个词依然是global。
到现在为止也还没有什么问题，但是把它结合到宇宙早期Higgs标量场在不同时期的演化就有问题了。量子场论中的重整化现象（这里没有篇幅展开来介绍），会造成这个理论在不同的能量标度下的相互作用的强度的也是不同，相互作用的耦合常数并不是常数，而是随着能量在跑动的。宇宙早期是个降温的过程，就是说相互作用的平均能量在逐渐下降，所以耦合常数也会随着这个下降的平均能量而跑动。这就造成了理论并不是一成不变的，继续拿我们的地球开涮的话，就是地壳运动、风化之类的，使各个地方的高度随时间在改变。而Higgs标量场的取值只能是连续变化的。所以完全有可能Higgs标量场所在的位置并不是当时的真空。
事实上，所发生的Higgs标量场的势能最低点的位形，根据量子场论是越来越多的，比如下面这个图

左面的是较早的时刻，真空就在中心。右边的话，最低点已不在中心，要选一个，这样Higgs标量场的取值在对称的两个（或很多很多个）之间取其一，就是对称性自发破缺。就像印度洋里的一块石头睡了几千万年，一睁眼发现已经在珠穆朗玛峰的最顶上，呆不住要往下滚啊，滚那边呢，中国还是印度（应该是尼泊尔，不过可能大家喜欢这样的说法）？要挑一个:D，这就破缺了。

其实真正滚起来就是很快的了，只是在前面的亚稳定状态上要呆很长时间。亚稳态能呆一段时间的话也是真空，不过不是能量最低的。这可以算是真空的一个相，亚稳相。这个真的滚下来的过程首先是靠了量子隧穿，这可以看成是使其偏离的扰动。滚下来的过程是从真空的亚稳相到稳定相，就是相变的过程。这也就是我们所说的sphaleron中的相变。

有了上面的相互作用，那么它们发生在什么场合下呢？前面我们提到了个名词叫sphaleron，那么它是什么东西呢。
英语当中的spha-这个词根，大概可以翻译成球孢之类的东西，有一种球对称生长的意义在里面。它非常形象地描述了这个重子创世纪的发生的图像。其实完全可以把它看成是沸腾的水中产生气泡然后迅速长大的沸腾过程，这个“气相”产生于“液相”中的泡泡长大的过程，发生在宇宙的早期就是sphaleron。所不同的是这里的两个相自然不是水的液相和气相，而是真空的相。说的不那么玄乎一点，就是Higgs标量场的相。
这当中涉及了为什么Higgs标量场会有相变，这和对称性的自发破缺有关。在前面我们也说了这是密切相关的，在这里值得用一篇的篇幅来介绍。

前面我们也说到了，Higgs玻色子目前比较流行的高能物理理论中唯一的标量场，可以有非0的真空期望值。这个真空期望值的取值结合具体的理论，就给出了真空的能量。
可能这个问题会吸引比较多的关注：真空究竟是什么？当然在日常的意义上，是一无所有，连空气都被抽干了。但是其实又不是一无所有。有一个有趣的叫做Casmir的效应
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只能用真空不空，其中还存在着量子场的振荡这样的观点来解释。所以我们相信量子场论的定义，真空是量子场的基态，虽然仍然有振荡。打个通常的比方，这就像是在地球表面找最低点一样，如果四周都比它高，那么这点就是真空。而振荡可以看成是往上爬的尝试。其实这样的类比是很准确的，这里的地理坐标相当于Higgs标量场的取值。更重要的一点，这个图像表明了这个所谓的真空只是个局域的概念，一块区域的最低点并不是全球的最低点。整体上完全可以有更低的位置，按海拔来算，湖底低不过玛丽亚娜海沟，可也可以是真空。
那么接下来是，真空有没有能量，有的话能量究竟是多少？现在的量子场论中的回答是，对于一个确定的理论——主要指相互作用的形式和强度——来说（这就相当于把全球地形都确定了），是全球的最低点能量为0，比它高的都有能量，正比于势能差。如果去翻英文的文献，即使它不用地形这样的类比，确实说的是Higgs标量场，那整体上的最低点整体上的这个词依然是global。
到现在为止也还没有什么问题，但是把它结合到宇宙早期Higgs标量场在不同时期的演化就有问题了。量子场论中的重整化现象（这里没有篇幅展开来介绍），会造成这个理论在不同的能量标度下的相互作用的强度的也是不同，相互作用的耦合常数并不是常数，而是随着能量在跑动的。宇宙早期是个降温的过程，就是说相互作用的平均能量在逐渐下降，所以耦合常数也会随着这个下降的平均能量而跑动。这就造成了理论并不是一成不变的，继续拿我们的地球开涮的话，就是地壳运动、风化之类的，使各个地方的高度随时间在改变。而Higgs标量场的取值只能是连续变化的。所以完全有可能Higgs标量场所在的位置并不是当时的真空。
事实上，所发生的Higgs标量场的势能最低点的位形，根据量子场论是越来越多的，比如下面这个图

左面的是较早的时刻，真空就在中心。右边的话，最低点已不在中心，要选一个，这样Higgs标量场的取值在对称的两个（或很多很多个）之间取其一，就是对称性自发破缺。就像印度洋里的一块石头睡了几千万年，一睁眼发现已经在珠穆朗玛峰的最顶上，呆不住要往下滚啊，滚那边呢，中国还是印度（应该是尼泊尔，不过可能大家喜欢这样的说法）？要挑一个:D，这就破缺了。

其实真正滚起来就是很快的了，只是在前面的亚稳定状态上要呆很长时间。亚稳态能呆一段时间的话也是真空，不过不是能量最低的。这可以算是真空的一个相，亚稳相。这个真的滚下来的过程首先是靠了量子隧穿，这可以看成是使其偏离的扰动。滚下来的过程是从真空的亚稳相到稳定相，就是相变的过程。这也就是我们所说的sphaleron中的相变。

1# huor
其实２００８年诺贝尔物理学奖就是授予这方面的工作啊。:D

假期在家里难得爬上来一次:D
去年诺贝尔奖得主南部，得奖的工作确实是对称性的自发破却。应该回32楼:D
南部其实是我们系的:D:victory:得奖的时候上量子色动力学的老师停了课，领我们去参加新闻发布会，所以我大概是中国人中第一个见到的。手机照了很多照片，可惜没有数据线都没传到电脑里。后来也和我们照过合影，到现在也没发到手上。[:a1:]

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暗物质，很标准化的概念，可能我们的物理进入了瓶颈，现在在量化的科学种总会出现一个标准，这样做都我们现阶段的研究是否还有意义？

楼主多久没更新了，，虽然看不太懂 ，还是要支持！！

不好意思，回家两个月变懒了，心情也没那时那么好
争取每周更新吧，可能也没几篇了

留名，学习

学习了不少东西