粒子时代：夸克、反物质和中微子是怎么出现的

粒子时代从大爆炸后 10⁻¹² 秒一直持续到 3 分钟。这段时间里，夸克先是自由游荡，然后被禁闭成质子和中子，电子与正电子主导宇宙，中微子则在 1 秒左右从此自由穿行。最耐人寻味的是一笔账：每十亿对正反粒子，多出了一个物质粒子，今天的星星、山川和人，全都来自这一点点多出来的部分。

越是早期的状态越难直接观测，研究者往往靠对撞机重现极端条件，或者靠理论推算。读下面的内容时，可以留意每一项说的是实验证据还是理论预言。

六个事件

• 10⁻¹² 秒 · 夸克时期：夸克自由游荡在高温汤里，像一锅滚烫的汤里到处游动的料。
• 10⁻¹¹ 秒 · 重子不对称：每十亿对正反粒子多出一个物质粒子，这就是物质能留下来的原因。
• 10⁻⁶ 秒 · 强子时期：夸克被禁闭成质子和中子，从此单个夸克再也看不到了。
• 1 秒 · 轻子时期：电子与正电子主导宇宙。
• 1 秒 · 中微子退耦：中微子从此自由穿行，几乎不再与其他物质发生作用。
• 10 秒 · 正负电子湮灭：留下少量电子，光子大量增加。

夸克：从模型到液体

最先出现的是一个让粒子家族变得有序的想法：质子和中子由更小的“夸克”组成，为当时杂乱的粒子动物园带来了秩序，论文题目是“重子与介子的简化模型”（盖尔曼，《Physics Letters》1964）。下一个问题是，夸克为什么永远单独见不到。答案叫渐近自由：夸克靠得越近，相互作用越弱，离得越远，反而拉得越紧，所以它们永远被关在一起，论文题目谈的是非阿贝尔规范理论的紫外行为（Gross 与 Wilczek，《Physical Review Letters》1973）。

夸克自由游荡的状态，后来真的在实验室里重现过。重离子对撞重现了宇宙最初几微秒的夸克-胶子等离子体，它的行为像几乎没有黏性的液体（STAR Collaboration，《Nuclear Physics A》2005）。

反物质：先在纸上，后在宇宙射线里

狄拉克把量子力学和相对论结合起来描述电子，方程的解意外地预言了反物质，他那篇论文的题目就叫“电子的量子理论”（Dirac，《Proceedings of the Royal Society A》1928）。几年后预言被证实：在宇宙射线中拍到了带正电的电子，人类第一次看到反物质，论文题目朴素得很，叫“正电子”（Anderson，《Physical Review》1933）。

物质为什么赢了

既然正反粒子是成对出现的，物质怎么会多出来？萨哈罗夫列出了宇宙产生“物质多于反物质”所需的三个条件，至今仍是研究的出发点，论文题目直接点明了主题：CP 不变性的破坏、C 不对称与宇宙的重子不对称（Sakharov，《JETP Letters》1967）。另一条线索来自实验：K 介子的衰变显示，物质和反物质的物理规律并不完全对称，论文题目是“K2 0 介子 2π 衰变的证据”（Christenson、Cronin、Fitch 与 Turlay，《Physical Review Letters》1964）。

中微子：幽灵粒子

中微子几乎不与任何东西作用，所以抓住它很难。研究者在核反应堆旁守候多年，终于捕捉到这种“幽灵粒子”，论文题目是“自由中微子的探测”（Cowan、Reines 等，《Science》1956）。后来又发现中微子会在三种类型间变身，这意味着它们有质量，这项观测来自超级神冈探测器，题目是“大气中微子振荡的证据”（Fukuda 等，《Physical Review Letters》1998）。

游戏里怎么体现

游戏里，粒子时代的时间范围写作“10⁻¹² 秒 – 3 分钟”，资源叫粒子。生成器依次是夸克-胶子等离子体、正反物质湮灭、强子化和中微子退耦，它们对应上面的几个现实过程。生成器只是用来体会这些阶段的先后，现实中并没有这样的装置。