大爆炸理論通過已知的物理法則，準確的建構了宇宙在遙遠過去的模型，由此外推并對當前我們所看到的宇宙現象做出了預測，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十億年間孕育了無數恒星、星系、星系團及其大尺度結構，還具有一個讓人驚訝的特性，那就是每當我們望向它的越深越遠之處，就等于在查看年代越久遠的歷史照片。

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象而離我們遠去，還有這些天體在宇宙年輕時和未經充分演化時的樣子。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，那么當我們觀察宇宙的更早期存在什么的時候，應該會看到很多的事情。在遙遠的過去，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。

我們也應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。我們還應該會看到那些遙遠的恒星和星系的重元素含量不如現在，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，如果能回望足夠遠的歷史，應該還能發(fā)現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，其預言還沒有任何觀察事實可以佐證，如今我們卻看到這些預言和其他許多科學猜測一樣，都已經被精度極高的實測結果所確認。宇宙之所以成為今天這個樣子，是因為它經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排列一下：

• 帶有形成生命所需之物質的巖質行星，只會出現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)定地結合成中性原子。
• 要形成第一個穩(wěn)定并且復雜的原子核，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子或單個中子復雜一點點的原子核——氦核（由一個質子與一個中子組成）都會被光子打碎，從而讓核反應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，我們的地球當然也在其中。

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，即假定宇宙中的物質是由質子和中子開始的。這個假設看起來并不牢靠——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，如數量相等的物質粒子和反物質粒子。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。

我們如果能讓時間倒流，回溯越來越早期的宇宙，不僅會看到物質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，物質部分和反物質部分只能相等，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：靜止質量、電荷、重子數、輕子數、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。特定反粒子的質量和自旋與特定粒子相同，但電荷相反，重子數相反，輕子數及其家族數也相反。
• 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，當粒子和與之對應的反粒子相撞時，雙方會發(fā)生湮滅，產生兩個光子。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量，這是由愛因斯坦的質能方程所決定的。

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)現當時的能量之高足以自發(fā)創(chuàng)生正負電子對（即“電子一正電子”對）。而在比這更早的時段內，還可以自發(fā)產生那些更重的“粒子一反粒子”對，如U介子、Π介子、質子、中子等的“正一反”對。如果再繼續(xù)追溯，則可以產生“標準模型”( 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）和巨大數量的物質與反物質組成的“海洋”，且物質和反物質在創(chuàng)生出來時應該是等量的，那么為何當宇宙膨脹并冷卻之后，就只剩下了物質而不見了反物質呢？或者退一步問，為何我們鄰近的宇宙里只見物質而不見反物質呢？情況真是如此嗎？我們來探查一下。

反物質去哪了？

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和反物質都是對稱的，情況會怎么樣。畢竟在大爆炸理論的框架之內和現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出一個我們如今看到的宇宙嗎？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，以及數量相等的物質和反物質，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量為零的粒子以光速運動，而且那些有質量的粒子的速度也不可思議地達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的粒子與反粒子而發(fā)生湮滅，結果生成兩個光子。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、粒子和反粒子發(fā)生湮滅的反應，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、光子的數量在給定時間內保持平衡。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生新的粒子。

一個經驗是，當一個粒子（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量（這一等效仍通過質能方程來算出）時，粒子的誕生率會迅速跌到零。以上圖所示的幾種反應為例，隨著宇宙溫度下降，左下的反應將最先停止，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電子對的自發(fā)創(chuàng)生過程。當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。當粒子間的湮滅已經發(fā)生得足夠多之后，殘存的就只有很少的粒子和反粒子了，二者數量仍然相等，它們沒有湮滅僅僅是因為彼此距離太遠，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)殡娮印⒄娮印⒅形⒆樱ㄒ约胺粗形⒆樱┑确€(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），進而凝結成數量相等的質子、中子、反質子、反中子。隨著溫度繼續(xù)下跌，有質量的“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。“質子—反質子”對(當然也包括“中微子一反中微子”對）會繼續(xù)湮滅，直到因所剩數量太少，無法實現“對對碰”為止。“電子一正電子”對的情況也與之相似。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），留給我們少量質子、電子、反質子、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粒子多得多——二者的比例大于10?：1，但是如果承認物質與反物質完全對稱，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和反物質隔離開來了，保證它們不能相遇并湮滅，但如果事實如此，我們應該能找到宇宙中的“物質區(qū)”和“反物質區(qū)”分別存在的明顯證據才對：鑒于宇宙的大尺度結構呈現網狀，而物質和反物質相碰會湮滅，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象。

可是，觀測事實與上述猜測不符。人們曾經在深太空中仔細地排查，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組成的，沒有反物質存在的跡象。所以說，對當前宇宙面貌的闡述，如果放到過去的某些時候、某些區(qū)域，以某種方式去說，應該是不全面的。宇宙要么一開始就有著某種不對稱性，物質多于反物質，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生了不對稱性。

總結

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

當然，這既是理論物理學最大的雄心，也是它最大的挑戰(zhàn)。一個物理學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象，還要給出新的、可能被證實或被證偽的預言。我們正在當前的未知國度內踏出第一步：我們認為，在過去的宇宙中，有某種事物造成了當前看到的這種“物質一反物質”的不對稱，可我們現在還沒有積累起充足的證據去準確說明這“某種事物”究竟是什么。