为什么物质比反物质多?

小夏 科学 更新 2024-01-19

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一位粉丝问了以下问题:

为什么我们的宇宙完全由物质构成?

这个问题是现代物理学中最困难的问题之一。 如果宇宙中生命之初有同等数量的物质和反物质,那么宇宙中的一切都早就被湮灭了,但据我们所知,这并没有发生。 最近的研究似乎已经揭示了宇宙中物质和反物质数量不对称的根本原因。 今天我们将讨论其中之一。

宇宙中的每个粒子都有自己的反伙伴。 例如,电子的反伴侣是正电子,质子的反伴侣是反质子,依此类推。 但也有一些粒子本身就是反粒子,例如光子——这种粒子被称为真正的中性粒子。

反粒子的质量与其正常伙伴相同,但电荷、轻子和重子的数量不同。 当粒子与它们的反粒子碰撞时,它们被湮灭,即它们成为光子。 例如,当电子和正电子被湮灭时,就会形成一对光子。 在湮灭过程中,粒子和反粒子的质量完全转化为能量。

反粒子以与简单粒子相同的方式相互作用,因此它们可以形成原子,也称为反原子。

人们第一次开始谈论反物质是在19世纪末。 1928 年,保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 能够提供其基本原理,而早在 1932 年,卡尔·安德森 (Karl Anderson) 首次以反电子的形式发现了它。 反电子称为正电子。 后来,在20世纪末,发现了第一个反原子 - 反氢。 目前,人类合成的最复杂的反原子是反氦。

物质和反物质的基本组成部分是基本粒子——夸克和轻子。 夸克是属于费米子家族的基本粒子。 它们有质量、电荷、所谓的颜色电荷和自旋。 目前我们知道六种类型的夸克:下夸克、上夸克、奇夸克、魔夸克、美夸克和实夸克。上夸克和下夸克是最轻的,是由重夸克衰变形成的。 除了夸克,费米子家族还包括另一组基本粒子,轻子。 他们进一步分为两组。 其中一个亚组包括带“-1”电荷的粒子,例如电子、亚吨和粒子。 另一个带中性电荷的亚群包括电子中微子、亚中微子和中微子。

上面列出的十二个粒子中的每一个都有一个反物质伙伴。 根据物理定律,反粒子必须始终是简单粒子的完美镜像。 但一些实验表明,情况并非总是如此。

例如,介子由夸克和反夸克组成。 中性粒细胞有一个有趣的特征:它们可以自发地转化为逆向子,反之亦然。 也就是说,在这个过程中,夸克可以变成反夸克,反之亦然——反夸克变成夸克,但一些实验表明,这在一个方向上比在另一个方向上更常见。 也就是说,反夸克更频繁地变成夸克。 结果,随着时间的流逝,物质远远多于反物质。

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