Q球或许能解释宇宙物质-反物质的不对称之谜

Q球或许能解释宇宙物质-反物质的不对称之谜

Q球是一种理论上存在于量子场的“团块”,形成于宇宙大爆炸后的瞬间

  宇宙学中最大的谜团之一,是宇宙为什么由如此多的物质组成,而不是反物质。从本质上说,这就相当于在问:为什么我们会存在?近日,一组理论物理学家表示,他们已经知道如何回答这一谜题,而他们所需要做的就是探测一种奇异量子物体产生的引力波。

  这种奇异的量子物体便是“Q球”(Q ball)。我们知道,每一种普通物质粒子都有相应的反物质粒子,但反物质的特性与物质相反——当二者相互作用时,就会发生湮灭。今天的宇宙中,物质的总量远远超过反物质,但宇宙学家相当确定,宇宙诞生之初产生了等量的物质和反物质;这些物质和对应的反物质应该会相互湮灭,从而使宇宙中没有任何物质。但现实是,物质普遍存在,这究竟是什么原因造成的?研究人员正逐渐揭开这个谜题。

  一个潜在的解释可能来自Q球,这是在宇宙大爆炸之后,宇宙像气球一样迅速膨胀之前形成的“块”。这些理论上的物体将包含它们自身物质-反物质的不对称性,意味着在每个Q球中会存在不相等的物质和反物质部分。当这些Q球“爆开”时,它们释放出的物质比反物质更多,同时产生时空涟漪——引力波。研究人员在10月27日发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇新论文中表示,如果这些物体真的存在,我们可以利用引力波探测它们。

  根据粒子物理学,宇宙的结构被不同的量子场所覆盖,每一个量子场都描述了空间中所有点的某些性质(比如电磁特性)。这些场的波动产生了构成我们物理现实的基本粒子。为了说明这些场是如何工作的,我们可以想象一张中间放着一个保龄球的蹦床。保龄球导致的蹦床形状变化代表了磁场中任意一点对宇宙的贡献——越靠近中心凹陷,势能越大。正如蹦床表面的形状决定了弹珠如何在保龄球周围滚动一样,场的“形状”也决定了场的行为。

  美国普林斯顿大学的物理学家伊恩·阿弗莱克和迈克尔·戴恩在1985年提出了一种理论,试图解释宇宙中物质-反物质的不对称。他们指出,控制宇宙早期暴胀过程的量子场必须相当“浅”,从而使暴胀能够发生——换句话说,位于蹦床中心的保龄球应当不是很重。正如一颗弹珠在保龄球凹陷处滚动时不会增加或减少太多的速度,量子场的形状也意味着控制宇宙暴胀的能量一直是均匀的。

  由于暴胀需要这种均匀性,因此量子场不能为了产生粒子而与其他场(可以看作是其他蹦床)产生太强烈的相互作用。但根据阿弗莱克和戴恩的理论,这个场会以某种方式与其他场相互作用,产生比反物质粒子更多的物质粒子。为了保持这种均匀的形状,量子场将这些粒子以“块”的形式包含了进去。

  新研究的第一作者、科维理宇宙物理学和数学研究所的物理学家格雷厄姆·怀特说:“这些块状物被称为Q球。它们只是量子场的结块。”随着宇宙的膨胀,这些Q球一直在周围徘徊,“它们最终会成为宇宙最重要的部分,因为与宇宙的其他部分相比,它们拥有更多的能量。”

  但这种情况不会永远持续下去。当Q球消失时——使宇宙中充满了比反物质多得多的物质——它们消失得如此突然,以至于产生了声波。这项新研究提出,这些声波是时空涟漪,也就是引力波的来源之一。格雷厄姆·怀特的团队认为,如果这些引力波真的存在,科学家就可以在地球上通过美国国家航空航天局(NASA)的激光干涉空间天线(LISA),以及位于地下的爱因斯坦望远镜等探测器进行测量。

  当然,这并不是解释宇宙物质-反物质不对称性的唯一理论。格雷厄姆·怀特对此表示理解,他指出,我们正处在一个令人兴奋的时间节点,有机会去证明其中可能正确的理论。“我们将在21世纪30年代启用一大批仪器,希望能探测到引力波,”怀特说,“如果我们能真的探测到它们,那将非常令人兴奋。”

  不过,即使探测器没能发现这些Q球产生的引力波,也可能是个好消息,因为这意味着一些更简单的理论可能是正确的——而且更容易验证。“所以从某种程度上说,这是一次不会失败的尝试,”怀特说道。(任天)

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