有一个困扰了粒子物理学家和宇宙学家数十年的问题：宇宙中为什么物质比反物质多这么多？
这个问题不止针对问题本身，也针对更基础的物理：现有的物理体系无法解释这种现象，需要新的物理理论，那么对这个问题的研究一定可以推动基础物理理论的发展。
这里我简单介绍一下这个问题的背景和研究现状。所有的复杂数学会被省去。有兴趣的可以看后面的参考资料。
一、现象
众所周知的是，我们的世界中，几乎见不到反物质，日常生活中更是完全没有。而根据宇宙大爆炸模型，初始状态的宇宙是正反物质对称的，也就是说，必然存在某种机制创造出了更多的正物质。强子的生成叫做baryogenesis，轻子叫做leptogenesis。下面全文中我们全部以强子为例。
为了解释这种现象，首先我们要定量的描述正反强子巨大的数量差。简单来说，我们用正反强子数密度与宇宙熵密度的比值来描述这种现象，叫做baryon-entropy-ratio，定义为：
这里 和
分别代表正反强子的数密度，
代表宇宙中的光子密度，
代表熵密度。宇宙学观测表明，
的数值大概是
[1]。
建立一个可以计算出这个数值的理论模型，成为物理学家的工作重点。
二、基本达成条件
提出模型也不是乱提的，我们需要一个指导方向。如果能够把完成baryogenesis的物理条件都列出来，那么在构建模型的时候就可以有一个明确的方向。
1967年，前苏联科学家A. Sakharov总结出了三个基本条件[2]：
- B number violation，即强子数不守恒。这是很显然的，因为我们就是要创造额外的B number。
- C和CP不守恒。简单来说就是反粒子经历的反应过程和正粒子不一样。这条的原因是，如果C或者CP守恒，那么我们产生的B会被反粒子的对应过程产生的anti-B抵消。
- 宇宙处于动力学不平衡态。否则产生的B会被时间上相反的过程全部倒回去，有点类似于化学平衡。
这三个条件称为Sakharov condition，在这个话题下的paper几乎每篇都会引用。前两个条件提供了寻找新的粒子物理模型的方向，第二、三个则提供了寻找宇宙演化dynamical model的方向。接下去我分别介绍这两个方向的现有模型和方向。
三、粒子物理部分：如何破坏B和CP的守恒？
（一）B-Violation：量子反常创造出更多的强子
B守恒破坏是一个很麻烦的事情：标准模型里存在B守恒的诺特流（Noether’s current）。从经典场论的角度看，B是无论如何都守恒的。
然而量子场论就奇妙在这里：总会有一些莫名其妙的反常（Anomaly）造成一些不符合经典物理的结果，B violation就是其中之一。量子场论里，存在非微扰的anomaly过程，使得B守恒被破坏[3][4]。这个非微扰过程也有一个对应的流，可以破坏 的守恒。对这个流的分析牵扯到过多的数学，这里就不再赘述。
有了这个反常流之后，理论物理学家们一哄而上，试图从中计算出强子生成。1976年，t’Hooft发现一个瞬子解，可以作为贡献B violation的具体物理过程[5]。然而计算结果表明这个结果太小，反应速率太慢，远远不足以生成足够多的粒子。1985年，Kuzmin, Rubakov和Shaposhnikov发现了另一个解，叫做sphaleron，可以提供足够的反应速率[6]。在现在几乎所有的研究中，sphaleron都是B violation的主要来源。
（二）CP 破坏：正反粒子不一样，左右手粒子也不一样。
CP破坏在标准模型中已经有很成熟的研究。简单来说，CP破坏的根本原因在于左右手粒子不一样：左手粒子参与弱相互作用，而右手粒子不参与。数学上，CP破坏表现在CKM矩阵中的一个复相位。
CKM矩阵历史上是首先为了研究夸克混合（quark mixing）而提出的。原本人们认为弱相互作用只能把同一代夸克相互转化（比如上变下，奇异变粲，等等），但后来实验发现不同代之间也能转化，其根本原因在于平时我们所谓的“夸克种类”是质量本征态，也是一个更physical的概念，而相互作用则是flavor本征态。第一个提出quark mixing概念的Cabbibo只知道两代夸克，于是像计算二维平面转动那样写了一个转动矩阵去描述这个，对应的转动角叫做Cabbibo angle[7]。后来日本物理学家小林诚（Makoto Kobayashi ）和益川敏英（Toshihide Maskawa）提出了解释三代夸克混合的矩阵[8]，连上Cabbibo一起，称为Cabbibo-Kobayashi-Maskawa（CKM）矩阵。2008年，这两个日本人拿了诺奖，第三个获奖者是大名鼎鼎的南部阳一郎（Yoichiro Nambu），可怜的Cabbibo连汤都没喝到。据说他一直都声称自己不在意（手动微笑脸）。
四、动力学模型：到底什么时候，如何发生的这一切？
有了上面两个物理过程，我们还需要宇宙作为一个舞台，让粒子们去发生这些反应。考虑的思路也很简单：宇宙大爆炸之初，高温高密，一切粒子处在对称性破缺以前，尚未被希格斯机制赋予质量。而上文提到的CP Violation则是发生在CKM矩阵里，这则是对称性破缺之后的结果了。那么，这一切应该发生在对称性破缺的那一刻。研究表明，在宇宙高温状态，数量级大于100GeV时，处于对称未破缺状态，过了临界温度之后则会破缺[9]。
从不破缺到破缺，也是一种相变，称为电弱相变（Electroweak Phase Transition, EWBG）。按照电弱相变的模型，一阶相变会通过气泡模型进行（bubble nucleation，中文翻译是我自己编的）。气泡内部是破缺状态，外部则是未破缺态。随着宇宙演化，气泡逐渐扩大并遍布整个宇宙。气泡界面上两相分离，界面扫过则可达成动力学非平衡态，从而满足第三个Sakharov condition （此处纪念一下去世不久的Ann Nelson。这项研究是她和合作者做出的）[10][11]。1993年，Farrar和Shaposhnikov提出了运行机制，称为Farrar-Shapshnikov机制[12]。机制提出，在宇宙中，粒子和周围的粒子不断发生相互作用，形成相干的准粒子态。准粒子和界面发生作用，获得质量。这个过程是CP不对称的。正粒子会更多的进入气泡，反粒子会更多的被反射出气泡。气泡外多余的反粒子会被前面提到的sphaleron给抹掉，内部的留下来，形成今天的结果。他的计算结果认为，标准模型通过这个机制可以提供足够的baryogenesis，因此已经没有必要从超出标准模型里寻找答案。
很可惜的是他算错了。他忽略了准粒子波函数的衰减。由于准粒子和外界的相互作用，准粒子不会一直处在相干态。在一段距离的运行之后总会衰减并解体。在计算了衰减之后[13]，标准模型能够提供的baryon ratio只有 的数量级，远远不够（此项工作由Patrick Huet和Eric Sather于1994年完成）。至此，仅通过标准模型解决baryogenesis问题彻底无望。
五、路在何方？
尽管试图在标准模型范围内解决问题的努力失败了，但是这些努力留下了极其重要的参考，尤其是Farrar-Shaposhnikov机制，以及Eric Sather&Patrick Huet的计算方式，被大量前仆后继的工作者们采用。
目前比较活跃的领域有各种对标准模型的拓展，比如左右完全对称的粒子模型、添加了dark sector的模型，以及直指物理学最终解的GUT模型，都有关于这方面的计算。其中GUT模型在刚提出的时候就已经有人进行了相关计算，但依然存在不少问题[14]。
另一条思路是沿用标准模型的电弱机制，仅对Higgs进行修改，并补充一些必要的调整，例如两个Higgs的2 Higgs Doublet Model, 2HDM。最近baryogenesis狂魔James M. Cline也发了一篇文章，对这个模型大加赞赏，标题也是充满不服：Is Electroweak Baryogenesis Dead?[15]
六、结语
很多人说，高能物理死掉了，某种程度上，的确如此。上面提到的很多模型，短时间内都无法在LHC上得到验证。如果没有更高能的对撞机，粒子物理短时间内只能是空中楼阁，大量的模型被提出，彼此之间互有不服，但根本没有一个裁判能够站出来，告诉人类正确的方向到底在哪里。在粒子物理界任何一个包括baryogenesis在内的话题进行讨论，总逃不开这种感觉。
因此，也有很多人，非常理智、清醒的劝告教授、学子、政府，这条路死掉了，不要再投钱投时间了。等有了机遇，再去处理也不迟。
应该说，这种想法本身是没错的。教授和学生要为自己的前途负责，选择一条方兴未艾热火朝天的道路无疑会让自己的才华更能得到施展和被认可的机会，从而更容易解决现实生活的种种琐事。政府花钱要经过论证，我们可以责备政府短视、责备蛋糕做得不够大不应该让学科之间来抢蛋糕，而应该加大投入，在不减少其他分支投入的情况下加强对高能物理的支持，但政府谨慎也是难免的，CEPC造价堪比京广铁路，且实际效益和风险并不那么显而易见。道义上支持科研是应该的，立场上相关人员力挺也没问题，但总该有些时间，充分的讨论。这个讨论，也的确不急于一时。
但我想说的是，从事这些研究的人，是为了前途而去的吗？投资基础研究的政府，是为了立竿见影的回报吗？
都不是。研究人员的选择，是为了自己的兴趣和好奇心。政府的选择，则是因为一个被忽略了很久的道理：科学研究从来都不应该问性价比。科学研究是只要有百分之一的希望，就要付出百分之百的努力。无论是人还是政府，都不能凭借自己对未来的预测去判断研究的前途：如果一项研究的回报如何能被预料，那还算是推进人类知识边界的创新吗？
In the history of physics, every time we’ve looked beyond the scales and energies we were familiar with, we’ve found things that we wouldn’t have thought were there. —— Lisa Randall
研究的回报永远不是猜得到的。而且这些回报远远不止于课题本身。研究会带来意想不到的学科交叉相互作用，会带来无法估量的文化交流。对于我们来讲，追求经济利益是目的，但世界绝不仅仅有经济利益。任何文化方面的推进，都会提供远远超出预想的回报。Baryogenesis本身就是一个很好的例子。在这之前，宇宙学和粒子物理学，是没有那么多的交叉的。随着研究的深入，双方的交叉才逐渐增多。宇宙作为一个天然的巨大实验室，也为粒子物理的发展提供了另一种可行性。
更重要的是，由这些研究带来的对整个学界的推动、一代代学术人的传承，都是无法估量的。没有任何一个方向活该消失，哪怕现在它没有前途。等到了真有前途和钱途的那一天，这些消失了的方向，岂是想重启就能重启的？时机不好，不必全力冲刺，但必须随时待命。
我从来没有说CEPC应该建还是不建。包括它在内，没有哪个科研项目有资格代表整个学术界来逼所有人表态。但我们需要的是，对待任何一个看上去死掉的学科，要有长远和包容的心态。探索的决心在，任何一个方向都只会暂时凋零，绝不会死去。
When it comes to the world around us, is there any choice but to explore? —— Lisa Randall
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：彷徨的夸克
【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载
此问题还有 5081 个回答，查看全部。
延伸阅读：
科学家做过哪些匪夷所思的实验？