二、观测宇宙中重子—反重子的不对称性

1933 年，狄拉克因他的正、负电子理论的成功而荣获诺贝尔物理学奖。长期以来，物理学家一直推崇狄拉克的杰出理论：“每个基本粒子都存在一个反粒子，它们具有相同的质量和自旋，而所有其他的量子数如电荷数、磁矩、重子数等等都有着相反的值。”狄拉克主张宇宙是对称的。从宇宙的尺度来看，应当有一半的物质，一半的反物质，二者在数量上是相等的。他在诺贝尔演讲中认为，地球或整个太阳系中，电子及正质子在

① 重子是包括质子在内的可以衰变为质子的粒子。

数量上占优势“实在是一种偶然”。他说：“十分可能，对某些星球来说， 情况并非如此。即这些星球主要是由正电子及负质子构成的。事实上，可能每种星体各占一半。这两类星体有完全相同的光谱。用现有的天文学方法，无法辨别这两类星体。”的确，对称的宇宙显得自然、和谐，较为符合美学判据。

然而，物理学和宇宙学都决不是纯理论的思辨性科学，它们必须首先尊重并立足于确切无疑的观测事实。愈来愈多的事实却表明，观测宇宙中的粒子含量远远大于反粒子含量，二者是不对称的。狄拉克的猜测违背了观测事实，因而是不正确的。

现在的观测表明，宇宙间的重子数平均密度 nB 为 10-6 个/厘米 3，即

每一立方米的体积中大约有一个重子，而反重子数nB 的平均密度为零。根据标准的大爆炸宇宙学计算，今天的观测宇宙线度为 1010 光年（1028 厘米）， 因而宇宙中的重子与反重子的总数差为 1078 个。以此回推至大爆炸的极早期，当 t=10-35 秒时，按标准模型计算，当时宇宙线度约为 1 厘米，因此， 当时重子与反重子的数密度差为

nB = 10 个／厘米³ 。 （1）

另一方面，在 t=10-35 秒时，温度 T=1028K，由标准模型可得总粒子数密度nB＝1087 个／厘米 3。 （2）

这样，由（1）、（2）可得，在早期宇宙中重子的不对称程度为

n B − n B

= 1078 = −9

n B 1087

10 。 （3）

由（3）可知，今天观测宇宙中存在这样多的重子，则要求在早期宇宙中正反重子含量的不对称性是：

n B = 1 − 10⁻⁹ = 0.999999999， （4）

n B

即当时每 109 个重子大约伴随有（109-1）个反重子。显然，这种不对称性是十分微小的。但为什么会有这样的不对称呢？这是大爆炸宇宙学必须加以回答的问题。