反物質(zhì)消失，暗物質(zhì)登場，神秘事件造就了現(xiàn)在的宇宙

2023-08-21 10:14 作者:天文在線 0人讀過 | 我要投稿

對稱性被打破，暗物質(zhì)或許是戈德斯通玻色子？宇宙大爆炸后突發(fā)神秘事件

新研究表明，早期宇宙中的神秘一“擊”可能導(dǎo)致了暗物質(zhì)的產(chǎn)生。

（圖源：馬克·加里克/蓋蒂圖片社-科學(xué)圖片庫）

關(guān)于宇宙有許多揮之不去的謎題，其中一個就是“萬物為何存在”。

這是因為在現(xiàn)今的宇宙中，物質(zhì)和其反物質(zhì)對應(yīng)物在形成時應(yīng)該數(shù)量相等，然后這兩種帶相反電荷的物質(zhì)在接觸時會互相湮滅。因此，宇宙中的所有物質(zhì)都應(yīng)該一形成就立刻消失，即物質(zhì)與反物質(zhì)對應(yīng)物接觸時，就立刻自我抵消。

但現(xiàn)實是湮滅并沒有發(fā)生。有新的研究提出假設(shè)：在宇宙的早期階段，曾經(jīng)有一次神秘事件使物質(zhì)的數(shù)量多于反物質(zhì)，最終帶來了今天的不平衡局面。這種不平衡也可能導(dǎo)致了暗物質(zhì)的產(chǎn)生。暗物質(zhì)能夠吸引一切東西，并不跟光發(fā)生反應(yīng)。

是意外還是宇宙“計劃好的”？

雖然我們不清楚暗物質(zhì)到底是什么，但可以肯定它是存在的。宇宙中80%的物質(zhì)都是暗物質(zhì)，其數(shù)量比例遠超過我們所能看見的恒星、星系、塵埃和氣體。

雖然暗物質(zhì)在宇宙中是重量級的存在，但奇怪的是，它并不占主導(dǎo)地位。在物理學(xué)中，兩種力相互作用時，更強的一方最終都會占主導(dǎo)。除非這個過程中還有其他物理學(xué)起作用，否則兩個相互作用的力很少達到平衡的狀態(tài)。舉個例子，如果一顆巨星內(nèi)部有引力和電磁力在相互作用，最終都會是引力勝出并使得恒星坍塌。

因此，“暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)量的80%而非99.99999%、普通物質(zhì)占20%而非零”這件事著實讓科學(xué)家們感到奇怪。如果平分彩票獎金用80/20這個比例，顯然不是對半的，但對天文學(xué)家而言，這個比例在我們的宇宙中卻代表著兩者數(shù)量相等。

圖解：宇宙中暗物質(zhì)與可見物質(zhì)的比例圖圖源：NASA（美國航空航天局）

而讓問題更棘手的是，據(jù)我們所知，普通物質(zhì)的產(chǎn)生和暗物質(zhì)的產(chǎn)生兩者毫無關(guān)聯(lián)。我們還無法得知暗物質(zhì)在早期宇宙是如何出現(xiàn)的，但不管真相如何，它肯定都不屬于我們已知的物理學(xué)范疇。

至于普通物質(zhì)，則是另外的一堆粒子。物理學(xué)家們猜想，在最早期的宇宙（誕生第一秒時），普通物質(zhì)和反物質(zhì)（跟普通物質(zhì)一樣但帶有相反電荷）處于完美平衡的狀態(tài)。雖然這個平衡后來被打破了，但它在最初確實是存在的，因為在粒子對撞機中我們看到了這種對稱性，它可以復(fù)制早期宇宙的極端條件：如果存在一個能產(chǎn)生常規(guī)物質(zhì)的高能量反應(yīng)，那同樣地它也能產(chǎn)生反物質(zhì)。

然而在稍后的某個時刻（無法確定具體時間，但很可能是在宇宙誕生不到一分鐘的時候），物質(zhì)和反物質(zhì)的平衡發(fā)生了變化，普通物質(zhì)得以遍布宇宙，把反物質(zhì)“打壓”得銷聲匿跡。

因此，其一是發(fā)生了一件打破對稱性的事件，導(dǎo)致普通物質(zhì)“打贏”了反物質(zhì)。其二，則是發(fā)生了另一件極其神秘的事件，導(dǎo)致暗物質(zhì)成為宇宙中體量大卻又不占主導(dǎo)的存在。新研究提出，也許這兩個事件是有關(guān)聯(lián)的，暗物質(zhì)的誕生與普通物質(zhì)戰(zhàn)勝反物質(zhì)有關(guān)。

圖解：物質(zhì)和反物質(zhì)互相湮滅情景設(shè)想圖圖源：NASA/CXC/M.Weiss（美國航空航天局/錢德拉X射線中心/M.韋斯）

尋找戈德斯通玻色子

上述這項研究在2020年12月29日被在線發(fā)布于預(yù)印本文獻庫arXiv，發(fā)布時尚未進行同行評審。研究人員是依據(jù)重子數(shù)對稱性得出結(jié)論的。重子是由夸克（如質(zhì)子和中子）組成的粒子。重子對稱性指在一個相互作用中，進入和退出的重子數(shù)必須相等（重子可以切換成不同的粒子，但必須保持總數(shù)一致）。反夸克的相互作用中，也具有同樣地對稱性。

在現(xiàn)今的宇宙，這種對稱性適用于我們的所有實驗，但在早期的宇宙中，它卻被打破了。這也是現(xiàn)在宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)的原因。

在物理學(xué)中，每當(dāng)一個連續(xù)對稱性被自發(fā)破缺，一種名為“戈德斯通玻色子”的新粒子就會出現(xiàn)并強化打破。比如，在現(xiàn)代宇宙中，π介子就是核力對稱性被打破后出現(xiàn)的戈德斯通玻色子。

研究提出，暗物質(zhì)可能就是一種戈德斯通玻色子，與早期宇宙的重子數(shù)對稱性被打破有著千絲萬縷的聯(lián)系。

謎團重重待深究

提出這一想法的研究人員稱其為“一‘擊’事件”。在目前的實驗中，重子數(shù)對稱性從未被打破過，但早期宇宙中肯定發(fā)生某些激烈的事件。這個事件雖然短暫卻十分劇烈，消滅了幾乎全部反物質(zhì)。不管導(dǎo)致事件發(fā)生的外力是什么，重子數(shù)的平衡終究被打破，一并帶來了新的戈德斯通玻色子。