宇宙在反物质消失时是什么样的？

在138亿年前的宇宙最初阶段，工作发生得很快。在宇宙年夜爆炸之后的前25微秒内，已经发生了很多不成思议的事务。宇宙缔造了所有的粒子和反粒子，包罗已知的和未知的，而且达到了最高温度。经由过程一个今朝物理学家还未确定的过程，宇宙制造出了跨越反物质的物质：仅仅多出了十亿分之一。正因为这种不平衡性，导致电弱对称性破缺，使得希格斯玻色子可以或许给宇宙供给质量。那些重的、不不变的粒子衰变了，夸克和胶子连系在一路形当作了质子和中子。

但在演化为现在我们所熟悉到的宇宙之前，宇宙中必定还发生了一系列其他事务。第一个，一旦质子和中子发生之后，最后的反物质（那时仍然很是丰硕）将会被除去。

只要有足够的能量，就可以在宇宙中制造出反物质。按照爱因斯坦的闻名质能方程：E=mc^2，质量和能量是等价的，具体可以总结为以下两点：

（1）可以从纯物质（或反物质）中缔造能量，经由过程削减物质的质量来把质量（m）转化为能量（E），例如，经由过程把等量的物质与反物质彼此湮灭。

（2）反过来，也可以从纯能量中缔造出新的物质，只要它能制造出等量的粒子和反粒子对。

只要有足够的能量让缔造顺遂进行，这些湮灭-缔造的过程在早期宇宙中就能连结均衡。

在最早期阶段，最重的粒子-反粒子对最先湮灭消逝。缔造出最重的粒子和反粒子需要耗损最多的能量，所以当宇宙冷却时，彼此感化的能量量子就会越来越不成能自觉地制造出新的粒子/反粒子对。

跟着时候的推移，希格斯粒子给宇宙带来了质量，能量太低的工具无法缔造出顶夸克或者W和Z玻色子。简而言之，宇宙不克不及再缔造出底夸克、τ轻子、粲夸克、奇夸克，或者甚至是μ介子。年夜约在统一时候，夸克和胶子连系当作中子和质子，而反夸克连系在一路形当作反中子和反质子。

到此，宇宙中可用的能量变得过低，无法制造出新的质子/反质子或者中子/反中子。是以，所有的反物质城市跟着它所接触到的物质而湮灭。但因为每14亿个质子/反质子对年夜约有1个质子（或中子），成果就剩下了少量的质子和中子。

但所有的正反物质湮灭都发生了光子，这是最纯粹的原始能量形式。光子-光子的彼此感化在这个布满能量的早期阶段仍然很壮大，它们可以自觉地发生中微子-反中微子对、电子-正电子对。即使宇宙制造出了质子和中子之后，所有的反质子和反中子都消逝了，但宇宙中仍然布满了反物质。

需要注重的是，即使是在这个相对较晚的阶段，仍然有多炽热致密的工具。到此，自宇宙年夜爆炸以来，宇宙只过了几分之一秒的时候，那时的宇宙处处都是粒子，其密度要高于此刻的太阳中间。最主要的是，有年夜量的彼此感化不竭发生，这能把一种类型的粒子转化为另一种。

今天，只有一种环境会自觉发生弱彼此感化：放射性衰变。诸如自由中子或重原子核等较高质量的粒子会释放出质量较低的粒子，同时会释放出一些能量，这个过程与爱因斯坦的质能方程计较成果是一致的。

可是在炽热、致密的早期宇宙中，弱彼此感化起到的第二个感化是使质子和中子彼此转化为彼此。只要宇宙布满足够的能量，这就会发生一些自觉的反映：

在上述方程中，p为质子，n为中子，e-为电子，e+为正电子（反电子），νe为电子中微子，νe上方加一横的字母暗示反电子中微子。

只要温度和密度足够高，所有这些反映都是自觉的，而且具有不异的速度。弱彼此感化仍然很主要；有足够的物质和反物质经常发生反映；有足够的能量从较低质量的质子中缔造出更高质量的中子。

在宇宙年夜爆炸之后的第一个完整1秒内，一切都处于均衡状况，宇宙中的质子和中子肆意彼此转化。

但在这个宇宙中，很少有工具注心猿意马会永远持续下去，包罗这些彼此转化过程。可巧改变这些现象的第一年夜主要事务是宇宙正在冷却。跟着空间膨胀，宇宙温度从几万亿度降至几十亿度，年夜大都中子与正电子或电子中微子发生碰撞之后，仍然可以发生质子；但年夜大都质子与电子或反电子中微子发生碰撞之后，不再有足够的能量来发生中子。

要知道，尽管质子和中子的质量几乎不异，但中子的质量略高，比质子重0.14%。这意味着，当宇宙的平均能量（E）低于质子和中子之间的质量差（Δm）时，把中子转化为质子比质子转化为中子更轻易。

在宇宙年夜爆炸后的一秒，质子就起头支配中子。但在那一刻，又有两起事务接连发生，这永远改变了宇宙的历程。第一路是弱彼此感化掉去效应，使得质子-中子遏制互相转化。

这些彼此转化的发生需要中微子在必然频率下与质子和中子彼此感化，只要宇宙足够热，密度足够年夜就行。当宇宙变得足够冷和稀少之时，中微子（和反中微子）不再彼此感化，这意味着这些中微子和反中微子不再会与宇宙中的其他工具互相感化，它们此刻应该仍然存在，其温度约为1.95开氏度（零下271.20摄氏度），这就是理论预言中的宇宙中微子布景辐射。

另一方面，此时宇宙中仍然布满能量，两个光子的碰撞可以发生正负电子对，而且电子-正电子对也会湮灭当作两个光子。这种环境一向持续到宇宙降生之后三秒，这意味着所有的物质-反物质能量都被束厄局促在电子和正电子中，当它们湮灭时，它们就会完全改变为光子。

这意味着残剩光子布景（即现现在的宇宙微波布景）的温度应该切确地（11/4）比中微子布景的温度高了40%，所以宇宙微波布景的温度是2.73开氏度，而不是1.95开氏度。这恰是今朝的不雅测成果，与宇宙年夜爆炸理论的预言完美合适。

在1992年，美国宇航局（NASA）的COBE卫星初次发布数据，人类第一次测量了宇宙微波布景的温度。但中微子布景以一种很是微妙的体例留下陈迹，直到2015年才被发现。当它最终被发现时，科学家注重到宇宙微波布景辐射的涨落中有一个相移，这使得科学家可以或许确定，宇宙中微子布景的温度为1.96±0.02开氏度，这又与宇宙年夜爆炸理论的展望完全一致。

因为弱彼此感化起主要感化的时候十分短暂，所以反物质仍然存在，而且宇宙中的质子和中子比例不再是50/50，而是演变为72/28，质子数目要多于中子数目。因为中微子和反中微子与宇宙中的所有其他粒子完全退耦，所以它们之后会在空间中自由穿行，它们的质量趋于零，速度趋于光速。与此同时，反电子都消逝了，所以年夜部门的电子也消逝了。

当尘埃落按时，就会有像质子一样多的电子使宇宙连结电中性。在宇宙中，每一个质子或中子都有对应跨越10亿个光子，年夜约70%的中微子-反中微子对应光子。宇宙仍然是热很密，但在最初的3秒内已经年夜幅冷却下来。没有这些反物质，恒星的原料正在逐渐形当作，宇宙垂垂演化为现现在的样子。