科学：当我们失去最后的反物质时，会发生什么？

在非常高的温度和密度下，我们有一个自由的，未结合的夸克 - 胶子等离子体。在较低的温度和密度下，我们有更稳定的强子：质子和中子。但直到宇宙冷却得更远，达到约100亿K，我们才能再自发地产生电子/正电子对; 反物质的正电子成分一直持续到大爆炸后大约3秒钟。另一方面，反中微子应该仍然存在于今天。BNL / RHIC。

在宇宙的最初阶段，事情发生得很快。在炎热的大爆炸开始后的前25分钟，已经发生了许多令人难以置信的事件。宇宙创造了所有粒子和反粒子 - 已知和未知 - 它曾经能够创造，达到它曾经达到的最高温度。通过一个尚未确定的过程，它创造了超过反物质的物质：只有十亿分之一的水平。电弱对称性破裂，使希格斯能够为宇宙提供质量。沉重的，不稳定的颗粒腐烂了，夸克和胶子结合在一起形成质子和中子。

但是为了获得今天我们认识到的宇宙，必须发生许多其他事情。其中第一个，一旦我们有质子和中子，就是摆脱我们的最后一个反物质，它仍然是非常丰富的。

早期的宇宙充满了物质和辐射，并且非常热和致密，以至于它阻止了所有复合颗粒在第一个零分的时间内稳定地形成。随着宇宙的冷却，反物质会消失，复合粒子有机会形成并生存。RHIC合作，BROOKHAVEN。

只要你有足够的能量，你就可以随时在宇宙中制造反物质。爱因斯坦最着名的等式 E = mc 2，有两种方式，它在两种方式中同样有效。

它可以从纯物质（或反物质）产生能量，通过减少存在的质量来将质量（m）转换成能量（E），例如通过用反物质消灭相等的物质。

或者它可以用纯能量创造新物质，只要它也为它产生的每个物质粒子产生等量的反物质对应物。

这些湮灭与创造过程，只要有足够的能量让创造顺利进行，就能在早期的宇宙中得到平衡。

每当你将粒子与其反粒子碰撞时，它就会湮灭成纯净的能量。这意味着如果你碰到任何两个粒子都有足够的能量，你可以创建一个物质 - 反物质对。但如果宇宙低于某个能量阈值，你只能消灭，而不是创造。ANDREW DENISZCZYC，2017年。

在最早阶段，它是最重的粒子 - 反粒子对，它们首先消失。创造最大质量的粒子和反粒子需要最多的能量，因此当宇宙冷却时，相互作用的能量的量子可以自发地产生新的粒子/反粒子对的可能性越来越小。

随着时间的推移，希格斯已经为宇宙提供了质量，因此能量太低而无法创造顶夸克或W和Z玻色子。在短期内，你不能再创造底夸克，tau轻子，魅力夸克，奇怪的夸克，甚至μ子。恰好在同一时间，夸克和胶子结合在一起形成中子和质子，而反夸克结合在一起成为反中子和反质子。

在夸克/反夸克对湮灭之后，剩余的物质粒子在中微子，反中微子，光子和电子/正电子对的背景中自身结合成质子和中子。在正电子上会有过量的电子与宇宙中的质子数完全匹配，保持电中性。E. SIEGEL /超越银河系。

宇宙中可用的能量现在太低而无法产生新的质子/反质子或中子/反中子对。因此，所有的反物质都会尽可能多地摧毁它。但是，由于每14亿个质子/反质子对有大约1个额外的质子（或中子），我们只剩下少量的质子和中子。

但是所有的湮灭都会产生光子 - 最纯粹的原始能量 - 以及所有先前产生光子的湮灭。在这个早期的能量阶段，光子 - 光子相互作用仍然很强，它们可以自发地产生中微子 - 反中微子对和电子 - 正电子对。即使在我们制造质子和中子，并且所有的反质子和反中子都消失之后，宇宙仍然充满了反物质。

随着宇宙膨胀和冷却，不稳定的粒子和反粒子衰变，而物质 - 反物质对湮灭，光子不再能以足够高的能量碰撞产生新的粒子。反质子将与相同数量的质子碰撞，消灭它们，反中子与中子一样。但是反中微子和正电子可以保持与中微子和电子的相互转换，以创造和破坏物质/反物质对，直到宇宙在1到3秒之间。E.西格尔。

重要的是要记住，即使在游戏的这个相对较晚的阶段，仍然有多热和密集的东西。自宇宙大爆炸以来，宇宙只有不到一秒钟的时间，而现在，在我们太阳的中心，粒子比现在更紧凑。最重要的是，不断发生的一系列相互作用可以将一种粒子转变为另一种粒子。

今天，我们已经习惯了在一个背景下自发发生的弱核相互作用：放射性衰变。较高浓度的粒子，如自由中子或重原子核，发射质量较小的子粒子，发出一些能量，符合爱因斯坦提出的相同方程式： E = mc 2。

原子核中核β衰变的示意图。只有包含（缺失的）中微子能量和动量才能保存这些量。从中子到质子（以及电子和反电子中微子）的转变在能量上是有利的，其中附加质量转换成衰变产物的动能。WIKIMEDIA COMMONS用户INDUCTIVELOAD。

但是在炎热，密集的早期宇宙中，弱相互作用的第二个作用是使质子和中子相互转化。只要宇宙足够精力充沛，这里就会发生一些自发发生的反应：

P +ë - →N +ν ë，

的n +È + →P + ν ë，

N +ν È →第+ E -，

的p + ν È →N +ë +。

在这些等式中，p是质子，n是中子， ë -为电子， ê +是用于正电子（抗电子），而 ν ê是电子中微子和 ν Ë是抗电子中微子。

单个质子和中子可以是无色实体，但它们之间仍然存在残余强力。在这些早期阶段，能量太高，质子和中子不能结合成更重的实体; 他们会立即被炸开。WIKIMEDIA COMMONS用户MANISHEARTH。

只要温度和密度足够高，所有这些反应都会自发地以相同的速率发生。弱相互作用仍然很重要; 这些反应经常发生，有足够的物质和反物质; 有足够的能量从较低聚集的质子中产生更高聚集的中子。

大爆炸后大约第一整秒，一切都处于平衡状态，宇宙随意地相互转换质子和中子。

随着宇宙通过各个阶段的能量下降，它不再能够从纯粹的能量中产生物质/反物质对，就像它在较早，较热的时候那样。夸克，μ子，taus和规范玻色子都是这个温度下降的牺牲品。到了大约25微秒的时间过去，只有反物质才能保留电子/正电子对和中微子/反中微子对。E. SIEGEL /超越银河系。

但是在这个宇宙中，很少有东西注定要永远存在，包括这些相互转换。改变这一点的第一件重要事情是宇宙正在降温。随着温度从数万亿K降至数十亿K，大多数中子与正电子或电子中微子碰撞仍然可以产生质子，但大多数质子与电子或反电子中微子碰撞现在不再有足够的能量产生中子。

请记住，即使质子和中子具有几乎相同的质量，中子也会稍微重一点：质量比质子大0.14％。这意味着当宇宙的平均能量（E）下降到低于质子和中子之间的质量差（m）时，中子变得更容易变成质子而不是质子变成中子。

在早期，中子和质子（L）由于高能电子，正电子，中微子和反中微子而自由地相互转换，并且存在的数量相等（中上部）。在较低的温度下，碰撞仍然有足够的能量将中子转化为质子，但是越来越少的能将质子转化为中子，使它们保持质子而不是质子（中间的底部）。在弱相互作用解耦后，宇宙不再在质子和中子之间分裂50/50，而更像是86/14。E. SIEGEL /超越银河系。

在大爆炸之后，宇宙在宇宙达到一秒之后，质子开始主导中子。但在那一刻，又有两件事快速连续发生，永远改变了宇宙的进程。首先是弱相互作用冻结，意味着质子 - 中子相互作用相互作用停止发生。

这些相互转换要求中微子以一定的频率与质子和中子相互作用，只要宇宙足够热和密度，它们就可以。当宇宙变冷和稀疏时，中微子（和反中微子）不再相互作用，这意味着我们此时制造的中微子和反中微子完全忽略了宇宙中的其他一切。它们应该仍然存在，其动能对应于绝对零度以上仅1.95 K的温度。

从纯能量产生物质/反物质对（左）是完全可逆的反应（右），物质/反物质湮灭回纯能量。这种创造和湮灭过程遵循E = mc ^ 2，是唯一已知的创造和破坏物质或反物质的方法。在低能量下，粒子 - 反粒子的产生受到抑制; 电子和正电子是早期宇宙中的最后一个。DMITRI POGOSYAN /阿尔伯塔大学。

另一方面，宇宙仍然精力充沛，我们可以碰撞两个光子产生电子 - 正电子对，并将电子 - 正电子对湮灭成两个光子。这一直持续到宇宙大约三秒钟（与中微子的一秒钟冻结相反），这意味着电子和正电子中所有物质 - 反物质能量在湮灭时完全进入光子。这意味着剩余光子背景的温度 - 现在称为宇宙微波背景 - 应该比中微子背景更精确（11/4）1/3倍：温度为2.73 K而不是1.95 K.

信不信由你，我们已经检测到了这些，并且它们完全符合宇宙大爆炸的预测。

太阳的实际光线（黄色曲线，左边）与完美的黑体（灰色）相比，由于其光球的厚度，太阳更像是一系列黑体; 在右边是COBE卫星测量的CMB的实际完美黑体。请注意，右侧的“误差条”是惊人的400西格玛。理论与观测之间的一致是历史性的，观测光谱的峰值决定了宇宙微波背景的剩余温度：2.73 K. WIKIMEDIA COMMONS用户SCH（L）;COBE / FIRAS，NASA / JPL-CALTECH（R）。

宇宙微波背景的温度在1992年首次被测量到这个精度，NASA的COBE卫星首次发布数据。但中微子背景以非常微妙的方式印记，并且直到2015年才被发现。当它最终被发现时，那些完成这项工作的科学家们 发现了宇宙微波背景波动的相移，这使得他们能够确定，如果中微子今天没有质量，他们在这个早期就有多少能量。

他们的结果？宇宙中微子背景的等效温度为1.96±0.02 K，与大爆炸的预测完全一致。

匹配CMB波动数据所需的中微子物种数量的拟合。由于我们知道有三种中微子物种，我们可以利用这些信息来推断早期无质量中微子的温度当量，并得出一个数值：1.96 K，不确定度仅为0.02 K.BRENT FOLLIN，LLOYD KNOX ，MARIUS MILLEA和ZHEN PAN（2015）PHYS。莱特牧师。115,091301。

由于短时间内弱相互作用是重要的并且反物质持续存在，宇宙不再是质子和中子之间的50/50，而是分裂更像86/14，有利于质子。随着中微子和反中微子与宇宙中的所有其他粒子完全分离，它们只是自由地在空间中移动，速度与光速无法区分（但略低于）。与此同时，反电子全部消失，大部分电子也消失了。

当尘埃清除时，存在与质子一样多的电子，使宇宙保持电中性。每个质子或中子都有超过十亿个光子，大约70％的中微子和反中微子都是光子。宇宙仍然是热的和密集的，但它在前3秒内大大降温。没有所有反物质，恒星的原料就会落到实处。