本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。根據狹義相對論，質量和能量都是同一事物的不同表現形式。對於普通人來說，這是一個有點陌生的概念。——愛因斯坦今天我們將前往熱大爆炸的早期階段，一個粒子/反粒子的湮滅時期。看下宇宙誕生後我們目前已知的所有粒子是如何形成的？為什麼有些粒子消失了，而有些粒子卻被宇宙以一定的比例保留了下來？所有的高能故事都發生在宇宙誕生後的3分鐘！讓我們從今天的宇宙開始，按下想象中的“倒帶”按鈕，穿越回到早期的宇宙。中性原子時代今天的宇宙中充滿了恆星，它們結合在一起形成巨大的星系結構，並且在更大的尺度上形成星系群、星系團，以及相互交錯的細絲結構。僅就我們所能觀察到的部分而言，至少有數千億個星系，散佈在幾百億光年的範圍內。宇宙從一個密度更大、更緊湊、更均勻和更熱的狀態發展而來，但是宇宙如何變成今天這個樣子的？今天，一切事物之間都相距甚遠，這是因為宇宙一直在膨脹。如果我們往回推斷，今天相對不重要的事情之一（宇宙的溫度，微波輻射只比絕對零度高2.7 K）會變得越來越重要。在漫反射密度和低能量下，這些剩餘的光子不會有太大的作用，如果你家裡還在使用兔耳天線的電視，這些輻射光子會在你的電視第三頻道中產生少量的“雪花畫素”。大約1％的“雪花”來自宇宙微波背景。當宇宙更年輕、體積更小的時候，這些光子不僅密度更大（因為宇宙的體積更小），而且溫度更高（因為光子的波長決定了它的能量）。如果我們一直往回推，微波輻射會變成紅外線，溫度從絕對零度以上的個位數上升到絕對零度以上的兩位數，上升到絕對零度以上的三位數，最終超過水的沸點，甚至最後達到與恆星相當的溫度。最終，穩定原子的電子會被光子“踢出”原子，發生電離，所以這時的宇宙即使是中性原子也無法形成。夸克膠子等離子體再往前追溯，我們就會到達一個原子核都無法形成的時代，因為高能光子會把它們炸成一個個獨立的質子和中子。我們甚至可以回到非常早期的時代，那時的宇宙誕生還不到一秒，光子的能量非常高，兩個光子會自發的產生等量的物質和反物質對。在宇宙膨脹和冷卻到這一階段之前，宇宙不過是一個由物質、反物質和輻射組成的原始“湯”，在那裡，物質和反物質的自然湮滅轉化為純粹的能量，與物質和反物質從純粹的能量中自然產生相平衡。愛因斯坦最著名的方程，E = mc ^ 2在這時是雙向平衡的。光子能量越高，自發產生的粒子對就越重。如果我們回到足夠早的時候，宇宙的平均能量足夠高，就可以產生一對頂-反頂夸克（已知最重的基本粒子），我們會發現，那個時候的光子遠遠少於今天的光子！為什麼呢？因為就像粒子-反粒子對可以湮滅形成兩個光子一樣，在足夠高的能量下，兩個光子可以相互作用形成粒子-反粒子對！雖然這時的宇宙有一定數量的光子，但想一下，在標準模型中的每一個基本粒子，包括大質量粒子和無質量粒子。所有的6個夸克和反夸克，每一個都有三種不同的顏色，3個帶電的輕子和3箇中微子，以及它們的反粒子對應物，8個膠子，3個弱玻色子，光子和希格斯玻色子，它們都有各自的自旋構型。這種能量不僅僅是光子，而是均勻地分佈在了所有這些粒子中。(根據麥克斯韋-玻爾茲曼能量分佈和適當的統計：費米-狄拉克統計為費米子，玻色-愛因斯坦統計為玻色子）當能量足夠高，溫度足夠高時，粒子/反粒子湮滅仍然不斷髮生，但它們的發生速率與粒子/反粒子的產生的速率相同。然而，隨著宇宙的膨脹和冷卻，湮滅率下降了一些，因為每個粒子更難找到它們的反粒子發生湮滅，但正反粒子對的產生率會大幅下降，因為平均能量下降到粒子/反粒子創造閾值以下，產生率就會開始以指數級下降。任何不穩定粒子的丰度都會隨著其周圍環境的溫度/能量降低到質量創造閾值以下而下降。毫無疑問，在宇宙高能時刻產生的幾乎所有的粒子都不穩定，所有已知型別的粒子和反粒子此刻大量存在於宇宙中。所以當宇宙膨脹和冷卻時會發生什麼呢？（按質量順序）頂夸克/反頂夸克對的產生停止；剩餘的則湮滅或衰變。希格斯/希格斯粒子對的產生停止；其餘的則湮滅或衰變。這（大致上）與電弱對稱的破壞是一致的。Z_0玻色子自發產生停止；剩餘的（大部分）衰變。W+/W-玻色子停止產生；剩下的（大部分）衰變。底夸克/反底夸克，τ子/反τ子，然後粲夸克/反粲夸克對停止產生；剩下的要麼湮滅，要麼衰變。所有這些情況下，質量較高粒子的湮滅（或衰變）會加熱剩下的所有其他物質。然後特別有趣、也特別重要的事情發生了：在宇宙冷卻到下一個臨界點的時候（停止奇夸克/反奇夸克的產生），開始從一個夸克/膠子等離子體變成了由單個重子（三個夸克的組合）、反重子（三個反夸克的組合）和介子（夸克和反夸克的組合）的組合。這就是“夸克禁閉”首次發生的地方。已知的所有粒子是如何形成的？為什麼有些粒子消失了，而有些粒子卻被宇宙以一定的比例保留了下來？隨後宇宙冷卻到臨界點，發生以下的湮滅/衰變：（按順序）所有的奇夸克/反奇夸克都會衰變/湮滅，所有不穩定的重子、反重子和介子（中子、反中子和帶電荷的介子除外）都會衰變和湮滅，中子/反中子和質子/反質子湮滅發生後，留下了少量過剩的質子和中子，它們代表了我們今天所擁有的物質/反物質的不對稱性，最後，帶電的π介子停止產生，湮滅/衰變，然後μ子/反μ子的產生停止，湮滅/衰變。現在，我們在宇宙中只剩下少量剩餘的質子和中子，大量的電子/正電子對，大量的中微子/反中微子對，大量的光子。以及我們認為與其他粒子不耦合的暗物質（其一直存在）。緊隨其後你可能會認為電子/正電子會發生湮滅，但首先發生的是另外兩件事。上圖：質子和中子在玩一個你來我往的遊戲：質子試圖與電子結合形成中子和中微子，而中子和中微子試圖走另一條路，產生質子和電子。(也可以讓質子和反中微子結合起來形成中子和正電子，以及相反的反應。）在幾毫秒的時間內（這在瞬息萬變的早期宇宙中確實是相當長的一段時間）這些反應以相同的速度進行。但是隨著能量的下降和溫度的降低，質子和中子之間微小的質量差開始起作用了，從中子中產生質子的反應比從質子中產生中子的反應更容易進行。到宇宙誕生一秒鐘左右的時候，質子與中子的比例就從50/50變成了接近85/15的比例，宇宙更傾向於質子。也可以這樣理解，質子能量更低，更有利於形成，儲存能量。特別注意下左上方，那裡質子和中子的數量相等，但由於中子到質子反應的強度和質子到中子反應的強度不同，質子開始主導中子。然後，宇宙再度膨脹冷卻，弱相互作用（允許中微子與所有其他型別的粒子交換能量、允許質子/中子相互轉換的相互作用）被凍結了。這意味著中微子和反中微子的相互作用速率、能量和橫截面變得太低，已經無法參與宇宙中發生的任何事情了。到目前為止，電子/正電子、中微子/反中微子和光子都從它們的湮滅中獲得了相應的能量份額。但是當中微子（和反中微子）凍結時，它們就不再參與任何宇宙的遊戲了。直到被我們人類發現，並稱其為幽靈粒子。所以當最後的湮滅階段發生時，當宇宙冷卻到不能再產生電子/正電子對，它們就會湮滅（留下足夠的電子來平衡質子的電荷，宇宙呈電中性），把所有的能量都轉化為了光子，而沒有轉化成中微子和反中微子。這就是為什麼宇宙微波背景（大爆炸遺留下來的光子的背景）被測量到的溫度是2.725 K，而宇宙中微子背景（也就是必須遺留下來的中微子的背景）預計只有1.95 K左右。隨後由於中子不穩定，繼續發生衰變為質子、電子和中微子，這也是為什麼宇宙誕生後經過3分鐘的變化剩餘中子的一小部分發生衰變，產生了（大約）87.6/12.4的質子、中子比例。這個階段以後，最後光子已經冷卻到宇宙足以透過核合成形成第一個重元素。這就是為什麼我們在宇宙大爆炸後不久就產生了最初的氫/氦比例：因為在早期宇宙中所有這些粒子所扮演的特殊角色。這就是我們所知道的宇宙中所有已知粒子的最好版本，以及它們在熱大爆炸的最初階段的表現，一直到被凍結、湮滅和衰變。
本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。根據狹義相對論，質量和能量都是同一事物的不同表現形式。對於普通人來說，這是一個有點陌生的概念。——愛因斯坦今天我們將前往熱大爆炸的早期階段，一個粒子/反粒子的湮滅時期。看下宇宙誕生後我們目前已知的所有粒子是如何形成的？為什麼有些粒子消失了，而有些粒子卻被宇宙以一定的比例保留了下來？所有的高能故事都發生在宇宙誕生後的3分鐘！讓我們從今天的宇宙開始，按下想象中的“倒帶”按鈕，穿越回到早期的宇宙。中性原子時代今天的宇宙中充滿了恆星，它們結合在一起形成巨大的星系結構，並且在更大的尺度上形成星系群、星系團，以及相互交錯的細絲結構。僅就我們所能觀察到的部分而言，至少有數千億個星系，散佈在幾百億光年的範圍內。宇宙從一個密度更大、更緊湊、更均勻和更熱的狀態發展而來，但是宇宙如何變成今天這個樣子的？今天，一切事物之間都相距甚遠，這是因為宇宙一直在膨脹。如果我們往回推斷，今天相對不重要的事情之一（宇宙的溫度，微波輻射只比絕對零度高2.7 K）會變得越來越重要。在漫反射密度和低能量下，這些剩餘的光子不會有太大的作用，如果你家裡還在使用兔耳天線的電視，這些輻射光子會在你的電視第三頻道中產生少量的“雪花畫素”。大約1％的“雪花”來自宇宙微波背景。當宇宙更年輕、體積更小的時候，這些光子不僅密度更大（因為宇宙的體積更小），而且溫度更高（因為光子的波長決定了它的能量）。如果我們一直往回推，微波輻射會變成紅外線，溫度從絕對零度以上的個位數上升到絕對零度以上的兩位數，上升到絕對零度以上的三位數，最終超過水的沸點，甚至最後達到與恆星相當的溫度。最終，穩定原子的電子會被光子“踢出”原子，發生電離，所以這時的宇宙即使是中性原子也無法形成。夸克膠子等離子體再往前追溯，我們就會到達一個原子核都無法形成的時代，因為高能光子會把它們炸成一個個獨立的質子和中子。我們甚至可以回到非常早期的時代，那時的宇宙誕生還不到一秒，光子的能量非常高，兩個光子會自發的產生等量的物質和反物質對。在宇宙膨脹和冷卻到這一階段之前，宇宙不過是一個由物質、反物質和輻射組成的原始“湯”，在那裡，物質和反物質的自然湮滅轉化為純粹的能量，與物質和反物質從純粹的能量中自然產生相平衡。愛因斯坦最著名的方程，E = mc ^ 2在這時是雙向平衡的。光子能量越高，自發產生的粒子對就越重。如果我們回到足夠早的時候，宇宙的平均能量足夠高，就可以產生一對頂-反頂夸克（已知最重的基本粒子），我們會發現，那個時候的光子遠遠少於今天的光子！為什麼呢？因為就像粒子-反粒子對可以湮滅形成兩個光子一樣，在足夠高的能量下，兩個光子可以相互作用形成粒子-反粒子對！雖然這時的宇宙有一定數量的光子，但想一下，在標準模型中的每一個基本粒子，包括大質量粒子和無質量粒子。所有的6個夸克和反夸克，每一個都有三種不同的顏色，3個帶電的輕子和3箇中微子，以及它們的反粒子對應物，8個膠子，3個弱玻色子，光子和希格斯玻色子，它們都有各自的自旋構型。這種能量不僅僅是光子，而是均勻地分佈在了所有這些粒子中。(根據麥克斯韋-玻爾茲曼能量分佈和適當的統計：費米-狄拉克統計為費米子，玻色-愛因斯坦統計為玻色子）當能量足夠高，溫度足夠高時，粒子/反粒子湮滅仍然不斷髮生，但它們的發生速率與粒子/反粒子的產生的速率相同。然而，隨著宇宙的膨脹和冷卻，湮滅率下降了一些，因為每個粒子更難找到它們的反粒子發生湮滅，但正反粒子對的產生率會大幅下降，因為平均能量下降到粒子/反粒子創造閾值以下，產生率就會開始以指數級下降。任何不穩定粒子的丰度都會隨著其周圍環境的溫度/能量降低到質量創造閾值以下而下降。毫無疑問，在宇宙高能時刻產生的幾乎所有的粒子都不穩定，所有已知型別的粒子和反粒子此刻大量存在於宇宙中。所以當宇宙膨脹和冷卻時會發生什麼呢？（按質量順序）頂夸克/反頂夸克對的產生停止；剩餘的則湮滅或衰變。希格斯/希格斯粒子對的產生停止；其餘的則湮滅或衰變。這（大致上）與電弱對稱的破壞是一致的。Z_0玻色子自發產生停止；剩餘的（大部分）衰變。W+/W-玻色子停止產生；剩下的（大部分）衰變。底夸克/反底夸克，τ子/反τ子，然後粲夸克/反粲夸克對停止產生；剩下的要麼湮滅，要麼衰變。所有這些情況下，質量較高粒子的湮滅（或衰變）會加熱剩下的所有其他物質。然後特別有趣、也特別重要的事情發生了：在宇宙冷卻到下一個臨界點的時候（停止奇夸克/反奇夸克的產生），開始從一個夸克/膠子等離子體變成了由單個重子（三個夸克的組合）、反重子（三個反夸克的組合）和介子（夸克和反夸克的組合）的組合。這就是“夸克禁閉”首次發生的地方。已知的所有粒子是如何形成的？為什麼有些粒子消失了，而有些粒子卻被宇宙以一定的比例保留了下來？隨後宇宙冷卻到臨界點，發生以下的湮滅/衰變：（按順序）所有的奇夸克/反奇夸克都會衰變/湮滅，所有不穩定的重子、反重子和介子（中子、反中子和帶電荷的介子除外）都會衰變和湮滅，中子/反中子和質子/反質子湮滅發生後，留下了少量過剩的質子和中子，它們代表了我們今天所擁有的物質/反物質的不對稱性，最後，帶電的π介子停止產生，湮滅/衰變，然後μ子/反μ子的產生停止，湮滅/衰變。現在，我們在宇宙中只剩下少量剩餘的質子和中子，大量的電子/正電子對，大量的中微子/反中微子對，大量的光子。以及我們認為與其他粒子不耦合的暗物質（其一直存在）。緊隨其後你可能會認為電子/正電子會發生湮滅，但首先發生的是另外兩件事。上圖：質子和中子在玩一個你來我往的遊戲：質子試圖與電子結合形成中子和中微子，而中子和中微子試圖走另一條路，產生質子和電子。(也可以讓質子和反中微子結合起來形成中子和正電子，以及相反的反應。）在幾毫秒的時間內（這在瞬息萬變的早期宇宙中確實是相當長的一段時間）這些反應以相同的速度進行。但是隨著能量的下降和溫度的降低，質子和中子之間微小的質量差開始起作用了，從中子中產生質子的反應比從質子中產生中子的反應更容易進行。到宇宙誕生一秒鐘左右的時候，質子與中子的比例就從50/50變成了接近85/15的比例，宇宙更傾向於質子。也可以這樣理解，質子能量更低，更有利於形成，儲存能量。特別注意下左上方，那裡質子和中子的數量相等，但由於中子到質子反應的強度和質子到中子反應的強度不同，質子開始主導中子。然後，宇宙再度膨脹冷卻，弱相互作用（允許中微子與所有其他型別的粒子交換能量、允許質子/中子相互轉換的相互作用）被凍結了。這意味著中微子和反中微子的相互作用速率、能量和橫截面變得太低，已經無法參與宇宙中發生的任何事情了。到目前為止，電子/正電子、中微子/反中微子和光子都從它們的湮滅中獲得了相應的能量份額。但是當中微子（和反中微子）凍結時，它們就不再參與任何宇宙的遊戲了。直到被我們人類發現，並稱其為幽靈粒子。所以當最後的湮滅階段發生時，當宇宙冷卻到不能再產生電子/正電子對，它們就會湮滅（留下足夠的電子來平衡質子的電荷，宇宙呈電中性），把所有的能量都轉化為了光子，而沒有轉化成中微子和反中微子。這就是為什麼宇宙微波背景（大爆炸遺留下來的光子的背景）被測量到的溫度是2.725 K，而宇宙中微子背景（也就是必須遺留下來的中微子的背景）預計只有1.95 K左右。隨後由於中子不穩定，繼續發生衰變為質子、電子和中微子，這也是為什麼宇宙誕生後經過3分鐘的變化剩餘中子的一小部分發生衰變，產生了（大約）87.6/12.4的質子、中子比例。這個階段以後，最後光子已經冷卻到宇宙足以透過核合成形成第一個重元素。這就是為什麼我們在宇宙大爆炸後不久就產生了最初的氫/氦比例：因為在早期宇宙中所有這些粒子所扮演的特殊角色。這就是我們所知道的宇宙中所有已知粒子的最好版本，以及它們在熱大爆炸的最初階段的表現，一直到被凍結、湮滅和衰變。
3分鐘能做什麼？大爆炸後宇宙幹了這些事！
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