粒子時代：夸克、反物質和中微子是怎麼出現的

粒子時代從大爆炸後 10⁻¹² 秒一直持續到 3 分鐘。這段時間裡，夸克先是自由遊蕩，然後被禁閉成質子和中子，電子與正子主導宇宙，中微子則在 1 秒左右從此自由穿行。最耐人尋味的是一筆賬：每十億對正反粒子，多出了一個物質粒子，今天的星星、山川和人，全都來自這一點點多出來的部分。

越是早期的狀態越難直接觀測，研究者往往靠對撞機重現極端條件，或者靠理論推算。讀下面的內容時，可以留意每一項說的是實驗證據還是理論預言。

六個事件

• 10⁻¹² 秒 · 夸克時期：夸克自由遊蕩在高溫湯裡，像一鍋滾燙的湯裡到處遊動的料。
• 10⁻¹¹ 秒 · 重子不對稱：每十億對正反粒子多出一個物質粒子，這就是物質能留下來的原因。
• 10⁻⁶ 秒 · 強子時期：夸克被禁閉成質子和中子，從此單個夸克再也看不到了。
• 1 秒 · 輕子時期：電子與正子主導宇宙。
• 1 秒 · 中微子退耦：中微子從此自由穿行，幾乎不再與其他物質發生作用。
• 10 秒 · 正負電子湮滅：留下少量電子，光子大量增加。

夸克：從模型到液體

最先出現的是一個讓粒子家族變得有序的想法：質子和中子由更小的“夸克”組成，為當時雜亂的粒子動物園帶來了秩序，論文題目是“重子與介子的簡化模型”（蓋爾曼，《Physics Letters》1964）。下一個問題是，夸克為什麼永遠單獨見不到。答案叫漸近自由：夸克靠得越近，相互作用越弱，離得越遠，反而拉得越緊，所以它們永遠被關在一起，論文題目談的是非阿貝爾規範理論的紫外行為（Gross 與 Wilczek，《Physical Review Letters》1973）。

夸克自由遊蕩的狀態，後來真的在實驗室裡重現過。重離子對撞重現了宇宙最初幾微秒的夸克-膠子等離子體，它的行為像幾乎沒有黏性的液體（STAR Collaboration，《Nuclear Physics A》2005）。

反物質：先在紙上，後在宇宙射線裡

狄拉克把量子力學和相對論結合起來描述電子，方程的解意外地預言了反物質，他那篇論文的題目就叫“電子的量子理論”（Dirac，《Proceedings of the Royal Society A》1928）。幾年後預言被證實：在宇宙射線中拍到了帶正電的電子，人類第一次看到反物質，論文題目樸素得很，叫“正子”（Anderson，《Physical Review》1933）。

物質為什麼贏了

既然正反粒子是成對出現的，物質怎麼會多出來？薩哈羅夫列出了宇宙產生“物質多於反物質”所需的三個條件，至今仍是研究的出發點，論文題目直接點明瞭主題：CP 不變性的破壞、C 不對稱與宇宙的重子不對稱（Sakharov，《JETP Letters》1967）。另一條線索來自實驗：K 介子的衰變顯示，物質和反物質的物理規律並不完全對稱，論文題目是“K2 0 介子 2π 衰變的證據”（Christenson、Cronin、Fitch 與 Turlay，《Physical Review Letters》1964）。

中微子：幽靈粒子

中微子幾乎不與任何東西作用，所以抓住它很難。研究者在核反應堆旁守候多年，終於捕捉到這種“幽靈粒子”，論文題目是“自由中微子的探測”（Cowan、Reines 等，《Science》1956）。後來又發現中微子會在三種類型間變身，這意味著它們有質量，這項觀測來自超級神岡探測器，題目是“大氣中微子振盪的證據”（Fukuda 等，《Physical Review Letters》1998）。

遊戲裡怎麼體現

遊戲裡，粒子時代的時間範圍寫作“10⁻¹² 秒 – 3 分鐘”，資源叫粒子。生成器依次是夸克-膠子等離子體、正反物質湮滅、強子化和中微子退耦，它們對應上面的幾個現實過程。生成器只是用來體會這些階段的先後，現實中並沒有這樣的裝置。