宇宙在反物質消失時是什么樣的？

在138億年前的宇宙最初階段，工作發生得很快。在宇宙年夜爆炸之后的前25微秒內，已經發生了很多不成思議的事務。宇宙締造了所有的粒子和反粒子，包羅已知的和未知的，而且達到了最高溫度。經由過程一個今朝物理學家還未確定的過程，宇宙制造出了跨越反物質的物質：僅僅多出了十億分之一。正因為這種不平衡性，導致電弱對稱性破缺，使得希格斯玻色子可以或許給宇宙供給質量。那些重的、不不變的粒子衰變了，夸克和膠子連系在一路形當作了質子和中子。

但在演化為現在我們所熟悉到的宇宙之前，宇宙中必定還發生了一系列其他事務。第一個，一旦質子和中子發生之后，最后的反物質（那時仍然很是豐碩）將會被除去。

只要有足夠的能量，就可以在宇宙中制造出反物質。按照愛因斯坦的聞名質能方程：E=mc^2，質量和能量是等價的，具體可以總結為以下兩點：

（1）可以從純物質（或反物質）中締造能量，經由過程削減物質的質量來把質量（m）轉化為能量（E），例如，經由過程把等量的物質與反物質彼此湮滅。

（2）反過來，也可以從純能量中締造出新的物質，只要它能制造出等量的粒子和反粒子對。

只要有足夠的能量讓締造順遂進行，這些湮滅-締造的過程在早期宇宙中就能連結均衡。

在最早期階段，最重的粒子-反粒子對最先湮滅消逝。締造出最重的粒子和反粒子需要耗損最多的能量，所以當宇宙冷卻時，彼此感化的能量量子就會越來越不成能自覺地制造出新的粒子/反粒子對。

跟著時候的推移，希格斯粒子給宇宙帶來了質量，能量太低的工具無法締造出頂夸克或者W和Z玻色子。簡而言之，宇宙不克不及再締造出底夸克、τ輕子、粲夸克、奇夸克，或者甚至是μ介子。年夜約在統一時候，夸克和膠子連系當作中子和質子，而反夸克連系在一路形當作反中子和反質子。

到此，宇宙中可用的能量變得過低，無法制造出新的質子/反質子或者中子/反中子。是以，所有的反物質城市跟著它所接觸到的物質而湮滅。但因為每14億個質子/反質子對年夜約有1個質子（或中子），成果就剩下了少量的質子和中子。

但所有的正反物質湮滅都發生了光子，這是最純粹的原始能量形式。光子-光子的彼此感化在這個布滿能量的早期階段仍然很壯大，它們可以自覺地發生中微子-反中微子對、電子-正電子對。即使宇宙制造出了質子和中子之后，所有的反質子和反中子都消逝了，但宇宙中仍然布滿了反物質。

需要注重的是，即使是在這個相對較晚的階段，仍然有多熾熱致密的工具。到此，自宇宙年夜爆炸以來，宇宙只過了幾分之一秒的時候，那時的宇宙處處都是粒子，其密度要高于此刻的太陽中間。最主要的是，有年夜量的彼此感化不竭發生，這能把一種類型的粒子轉化為另一種。

今天，只有一種環境會自覺發生弱彼此感化：放射性衰變。諸如自由中子或重原子核等較高質量的粒子會釋放出質量較低的粒子，同時會釋放出一些能量，這個過程與愛因斯坦的質能方程計較成果是一致的。

可是在熾熱、致密的早期宇宙中，弱彼此感化起到的第二個感化是使質子和中子彼此轉化為彼此。只要宇宙布滿足夠的能量，這就會發生一些自覺的反映：

在上述方程中，p為質子，n為中子，e-為電子，e+為正電子（反電子），νe為電子中微子，νe上方加一橫的字母暗示反電子中微子。

只要溫度和密度足夠高，所有這些反映都是自覺的，而且具有不異的速度。弱彼此感化仍然很主要；有足夠的物質和反物質經常發生反映；有足夠的能量從較低質量的質子中締造出更高質量的中子。

在宇宙年夜爆炸之后的第一個完整1秒內，一切都處于均衡狀況，宇宙中的質子和中子肆意彼此轉化。

但在這個宇宙中，很少有工具注心猿意馬會永遠持續下去，包羅這些彼此轉化過程。可巧改變這些現象的第一年夜主要事務是宇宙正在冷卻。跟著空間膨脹，宇宙溫度從幾萬億度降至幾十億度，年夜大都中子與正電子或電子中微子發生碰撞之后，仍然可以發生質子；但年夜大都質子與電子或反電子中微子發生碰撞之后，不再有足夠的能量來發生中子。

要知道，盡管質子和中子的質量幾乎不異，但中子的質量略高，比質子重0.14%。這意味著，當宇宙的平均能量（E）低于質子和中子之間的質量差（Δm）時，把中子轉化為質子比質子轉化為中子更輕易。

在宇宙年夜爆炸后的一秒，質子就起頭支配中子。但在那一刻，又有兩起事務接連發生，這永遠改變了宇宙的歷程。第一路是弱彼此感化掉去效應，使得質子-中子遏制互相轉化。

這些彼此轉化的發生需要中微子在必然頻率下與質子和中子彼此感化，只要宇宙足夠熱，密度足夠年夜就行。當宇宙變得足夠冷和稀少之時，中微子（和反中微子）不再彼此感化，這意味著這些中微子和反中微子不再會與宇宙中的其他工具互相感化，它們此刻應該仍然存在，其溫度約為1.95開氏度（零下271.20攝氏度），這就是理論預言中的宇宙中微子布景輻射。

另一方面，此時宇宙中仍然布滿能量，兩個光子的碰撞可以發生正負電子對，而且電子-正電子對也會湮滅當作兩個光子。這種環境一向持續到宇宙降生之后三秒，這意味著所有的物質-反物質能量都被束厄局促在電子和正電子中，當它們湮滅時，它們就會完全改變為光子。

這意味著殘剩光子布景（即現現在的宇宙微波布景）的溫度應該切確地（11/4）比中微子布景的溫度高了40%，所以宇宙微波布景的溫度是2.73開氏度，而不是1.95開氏度。這恰是今朝的不雅測成果，與宇宙年夜爆炸理論的預言完美合適。

在1992年，美國宇航局（NASA）的COBE衛星初次發布數據，人類第一次測量了宇宙微波布景的溫度。但中微子布景以一種很是微妙的體例留下陳跡，直到2015年才被發現。當它最終被發現時，科學家注重到宇宙微波布景輻射的漲落中有一個相移，這使得科學家可以或許確定，宇宙中微子布景的溫度為1.96±0.02開氏度，這又與宇宙年夜爆炸理論的展望完全一致。

因為弱彼此感化起主要感化的時候十分短暫，所以反物質仍然存在，而且宇宙中的質子和中子比例不再是50/50，而是演變為72/28，質子數目要多于中子數目。因為中微子和反中微子與宇宙中的所有其他粒子完全退耦，所以它們之后會在空間中自由穿行，它們的質量趨于零，速度趨于光速。與此同時，反電子都消逝了，所以年夜部門的電子也消逝了。

當塵埃落按時，就會有像質子一樣多的電子使宇宙連結電中性。在宇宙中，每一個質子或中子都有對應跨越10億個光子，年夜約70%的中微子-反中微子對應光子。宇宙仍然是熱很密，但在最初的3秒內已經年夜幅冷卻下來。沒有這些反物質，恒星的原料正在逐漸形當作，宇宙垂垂演化為現現在的樣子。