宇宙在反物質消失時是什麼樣的？

在138億年前的宇宙最初階段，事情發生得很快。在宇宙大爆炸之後的前25微秒內，已經發生了許多不可思議的事件。宇宙創造了所有的粒子和反粒子，包括已知的和未知的，並且達到了最高溫度。通過一個目前物理學家還未確定的過程，宇宙製造出了超過反物質的物質：僅僅多出了十億分之一。正因為這種不均衡性，導致電弱對稱性破缺，使得希格斯玻色子能夠給宇宙提供質量。那些重的、不穩定的粒子衰變了，夸克和膠子結合在一起形成了質子和中子。

但在演化為如今我們所認識到的宇宙之前，宇宙中肯定還發生了一系列其他事件。第一個，一旦質子和中子產生之後，最後的反物質（當時仍然非常豐富）將會被除去。

只要有足夠的能量，就可以在宇宙中製造出反物質。根據愛因斯坦的著名質能方程：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）中創造能量，通過減少物質的質量來把質量（m）轉化為能量（E），例如，通過把等量的物質與反物質相互湮滅。

（2）反過來，也可以從純能量中創造出新的物質，只要它能製造出等量的粒子和反粒子對。

只要有足夠的能量讓創造順利進行，這些湮滅-創造的過程在早期宇宙中就能保持平衡。

在最早期階段，最重的粒子-反粒子對最先湮滅消失。創造出最重的粒子和反粒子需要消耗最多的能量，所以當宇宙冷卻時，相互作用的能量量子就會越來越不可能自發地製造出新的粒子/反粒子對。

隨著時間的推移，希格斯粒子給宇宙帶來了質量，能量太低的東西無法創造出頂夸克或者W和Z玻色子。簡而言之，宇宙不能再創造出底夸克、τ輕子、粲夸克、奇夸克，或者甚至是μ介子。大約在同一時間，夸克和膠子結合成中子和質子，而反夸克結合在一起形成反中子和反質子。

到此，宇宙中可用的能量變得過低，無法製造出新的質子/反質子或者中子/反中子。因此，所有的反物質都會隨著它所接觸到的物質而湮滅。但由於每14億個質子/反質子對大約有1個質子（或中子），結果就剩下了少量的質子和中子。

但所有的正反物質湮滅都產生了光子，這是最純粹的原始能量形式。光子-光子的相互作用在這個充滿能量的早期階段仍然很強大，它們可以自發地產生中微子-反中微子對、電子-正電子對。即使宇宙製造出了質子和中子之後，所有的反質子和反中子都消失了，但宇宙中仍然充滿了反物質。

需要注意的是，即使是在這個相對較晚的階段，仍然有多熾熱緻密的東西。到此，自宇宙大爆炸以來，宇宙只過了幾分之一秒的時間，那時的宇宙到處都是粒子，其密度要高於現在的太陽中心。最重要的是，有大量的相互作用不斷發生，這能把一種類型的粒子轉化為另一種。

今天，只有一種情況會自發產生弱相互作用：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算結果是一致的。

但是在熾熱、緻密的早期宇宙中，弱相互作用起到的第二個作用是使質子和中子相互轉化為彼此。只要宇宙充滿足夠的能量，這就會產生一些自發的反應：

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上方加一橫的字母表示反電子中微子。

只要溫度和密度足夠高，所有這些反應都是自發的，並且具有相同的速率。弱相互作用仍然很重要；有足夠的物質和反物質經常發生反應；有足夠的能量從較低質量的質子中創造出更高質量的中子。

在宇宙大爆炸之後的第一個完整1秒內，一切都處於平衡狀態，宇宙中的質子和中子任意相互轉化。

但在這個宇宙中，很少有東西註定會永遠持續下去，包括這些相互轉化過程。碰巧改變這些現象的第一大重要事件是宇宙正在冷卻。隨著空間膨脹，宇宙溫度從幾萬億度降至幾十億度，大多數中子與正電子或電子中微子發生碰撞之後，仍然可以產生質子；但大多數質子與電子或反電子中微子發生碰撞之後，不再有足夠的能量來產生中子。

要知道，儘管質子和中子的質量幾乎相同，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）低於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容易。

在宇宙大爆炸後的一秒，質子就開始支配中子。但在那一刻，又有兩起事件接連發生，這永遠改變了宇宙的進程。第一起是弱相互作用失去效應，使得質子-中子停止互相轉化。

這些相互轉化的發生需要中微子在一定頻率下與質子和中子相互作用，只要宇宙足夠熱，密度足夠大就行。當宇宙變得足夠冷和稀疏之時，中微子（和反中微子）不再相互作用，這意味著這些中微子和反中微子不再會與宇宙中的其他東西互相作用，它們現在應該仍然存在，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背景輻射。

另一方面，此時宇宙中仍然充滿能量，兩個光子的碰撞可以產生正負電子對，並且電子-正電子對也會湮滅成兩個光子。這種情況一直持續到宇宙誕生之後三秒，這意味著所有的物質-反物質能量都被束縛在電子和正電子中，當它們湮滅時，它們就會完全轉變為光子。

這意味著剩餘光子背景（即現如今的宇宙微波背景）的溫度應該精確地（11/4）比中微子背景的溫度高了40%，所以宇宙微波背景的溫度是2.73開氏度，而不是1.95開氏度。這正是目前的觀測結果，與宇宙大爆炸理論的預言完美符合。

在1992年，美國宇航局（NASA）的COBE衛星首次發布數據，人類第一次測量了宇宙微波背景的溫度。但中微子背景以一種非常微妙的方式留下痕迹，直到2015年才被發現。當它最終被發現時，科學家注意到宇宙微波背景輻射的漲落中有一個相移，這使得科學家能夠確定，宇宙中微子背景的溫度為1.96±0.02開氏度，這又與宇宙大爆炸理論的預測完全一致。

由於弱相互作用起重要作用的時間十分短暫，所以反物質仍然存在，並且宇宙中的質子和中子比例不再是50/50，而是演變為72/28，質子數量要多於中子數量。由於中微子和反中微子與宇宙中的所有其他粒子完全退耦，所以它們之後會在空間中自由穿行，它們的質量趨於零，速度趨於光速。與此同時，反電子都消失了，所以大部分的電子也消失了。

當塵埃落定時，就會有像質子一樣多的電子使宇宙保持電中性。在宇宙中，每一個質子或中子都有對應超過10億個光子，大約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秒內已經大幅冷卻下來。沒有這些反物質，恆星的原料正在逐漸形成，宇宙漸漸演化為現如今的樣子。

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