三、宇宙学中的重子数起源

大爆炸宇宙学的基本观点认为，宇宙间的一切都有其生成的过程，现有的各种复杂的、不对称的宇宙现象，都是从简单的、对称的原初宇宙演化而来的，式（4）的不对称性，也应从原初对称的宇宙（即重子与反重子的数密度相等）演化而来的。由对称演化到不对称，这就产生了“重子数起源”问题。

1967 年苏联物理学家萨哈洛夫（Sakharov）提出，从重子—反重子对称的宇宙中演化出重子数的不对称需要三个要素：

存在改变重子数 B 的作用；

2．C 和 CP 都不守恒； 3．存在对热平衡的偏离。

这里最基本的前提是第 1 条，如果存在改变重子数 B 的作用，必然也

存在重子数不守恒的过程。“重子数守恒”简称 B 守恒，其义即：在粒子的变化过程中，重子数减反重子数是不变的。质子是最轻的重子，如果它是不稳定的，就只能衰变为不是重子的更轻的粒子，那就必然会破坏 B 守恒。所以，倘若发现质子衰变，就直接证明了 B 并不总是守恒的。

存在 B 不守恒过程，对于解决重子数起源问题仅仅是必要条件，但并非充分条件。因为，即使质子是不稳定的，但若反质子也是不稳定的，且两者的衰变率相同，那还是不能从正反质子的对称状态演化到正反质子的不对称状态。因此，解决重子数起源问题的另一个必要条件是存在着正反粒子之间不对称的过程，这种过程一般称为 C 破坏过程或 CP 破坏过程。这里，P 代表空间反演，也就是左右互换；C 代表电荷共轭，即粒子与反粒子互换；CP 守恒意即：将左右互换同时又将粒子与反粒子互换，物理规律仍保持不变。由于一个系统的熵在重子与反重子的数目相等时最大，故偏离热平衡时产生不对称的微观相互作用也是必要的。因此，一旦上述这些过程偏离热平衡，就可以使一个起初对称的宇宙进入一种重子多于反重子的不对称状态。这就是萨哈洛夫提出的第 2、3 条要素。

CP 不守恒的过程，早在 1964 年就被美国物理学家克劳宁（Cronin）、菲奇（Fitch）等人所发现（这一发现使他们两人共获 1980 年诺贝尔物理学奖）。这就是长寿命中性 K1 介子的衰变。这种介子有以下两种衰变过程：

→ л ⁻＋e⁺＋Ve；
→ л ⁺＋e^- + v_e，

因为 K1 的反粒子就是它自身，所以，如果 CP 是守恒的。则上述两种衰变方式的机会必定是相等的。克劳宁等人的成功实验证明，K1 更多地是

按第一种方式衰变。具体地说，K^o 介子衰变为（π ⁻ 、e^{+ 、γ ）的可能性}

1 e

比衰变为（π ⁺、e^-、γe ）的可能性略大0.33% ，因而CP对称性破坏了。

尽管这种不对称的程度十分微小，但K^o 介子的衰变过程却明确无误地表现出 CP 破坏是一个真实的效应。克劳宁在他的诺贝尔演讲中说：“这个效应告诉我们，在物质和反物质之间存在着基本的不对称性。”