宇宙學中最大的謎團之一，是宇宙為什么由如此多的物質(zhì)組成，而不是反物質(zhì)。從本質(zhì)上說，這就相當于在問：為什么我們會存在？近日，一組理論物理學家表示，他們已經(jīng)知道如何回答這一謎題，而他們所需要做的就是探測一種奇異量子物體產(chǎn)生的引力波。
Q 球是一種理論上存在于量子場的“團塊”，形成于宇宙大爆炸后的瞬間
這種奇異的量子物體便是“Q 球”（Q ball）。我們知道，每一種普通物質(zhì)粒子都有相應的反物質(zhì)粒子，但反物質(zhì)的特性與物質(zhì)相反 —— 當二者相互作用時，就會發(fā)生湮滅。今天的宇宙中，物質(zhì)的總量遠遠超過反物質(zhì)，但宇宙學家相當確定，宇宙誕生之初產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)；這些物質(zhì)和對應的反物質(zhì)應該會相互湮滅，從而使宇宙中沒有任何物質(zhì)。但現(xiàn)實是，物質(zhì)普遍存在，這究竟是什么原因造成的？研究人員正逐漸揭開這個謎題。
一個潛在的解釋可能來自 Q 球，這是在宇宙大爆炸之后，宇宙像氣球一樣迅速膨脹之前形成的“塊”。這些理論上的物體將包含它們自身物質(zhì)-反物質(zhì)的不對稱性，意味著在每個 Q 球中會存在不相等的物質(zhì)和反物質(zhì)部分。當這些 Q 球“爆開”時，它們釋放出的物質(zhì)比反物質(zhì)更多，同時產(chǎn)生時空漣漪 —— 引力波。研究人員在 10 月 27 日發(fā)表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）上的一篇新論文中表示，如果這些物體真的存在，我們可以利用引力波探測它們。
根據(jù)粒子物理學，宇宙的結(jié)構(gòu)被不同的量子場所覆蓋，每一個量子場都描述了空間中所有點的某些性質(zhì)（比如電磁特性）。這些場的波動產(chǎn)生了構(gòu)成我們物理現(xiàn)實的基本粒子。為了說明這些場是如何工作的，我們可以想象一張中間放著一個保齡球的蹦床。保齡球?qū)е碌谋拇残螤钭兓砹舜艌鲋腥我庖稽c對宇宙的貢獻 —— 越靠近中心凹陷，勢能越大。正如蹦床表面的形狀決定了彈珠如何在保齡球周圍滾動一樣，場的“形狀”也決定了場的行為。
美國普林斯頓大學的物理學家伊恩?阿弗萊克和邁克爾?戴恩在 1985 年提出了一種理論，試圖解釋宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的不對稱。他們指出，控制宇宙早期暴脹過程的量子場必須相當“淺”，從而使暴脹能夠發(fā)生 —— 換句話說，位于蹦床中心的保齡球應當不是很重。正如一顆彈珠在保齡球凹陷處滾動時不會增加或減少太多的速度，量子場的形狀也意味著控制宇宙暴脹的能量一直是均勻的。
由于暴脹需要這種均勻性，因此量子場不能為了產(chǎn)生粒子而與其他場（可以看作是其他蹦床）產(chǎn)生太強烈的相互作用。但根據(jù)阿弗萊克和戴恩的理論，這個場會以某種方式與其他場相互作用，產(chǎn)生比反物質(zhì)粒子更多的物質(zhì)粒子。為了保持這種均勻的形狀，量子場將這些粒子以“塊”的形式包含了進去。
新研究的第一作者、科維理宇宙物理學和數(shù)學研究所的物理學家格雷厄姆?懷特說：“這些塊狀物被稱為 Q 球。它們只是量子場的結(jié)塊?！彪S著宇宙的膨脹，這些 Q 球一直在周圍徘徊，“它們最終會成為宇宙最重要的部分，因為與宇宙的其他部分相比，它們擁有更多的能量?！?/p>
但這種情況不會永遠持續(xù)下去。當 Q 球消失時 —— 使宇宙中充滿了比反物質(zhì)多得多的物質(zhì) —— 它們消失得如此突然，以至于產(chǎn)生了聲波。這項新研究提出，這些聲波是時空漣漪，也就是引力波的來源之一。格雷厄姆?懷特的團隊認為，如果這些引力波真的存在，科學家就可以在地球上通過美國國家航空航天局（NASA）的激光干涉空間天線（LISA），以及位于地下的愛因斯坦望遠鏡等探測器進行測量。
當然，這并不是解釋宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的唯一理論。格雷厄姆?懷特對此表示理解，他指出，我們正處在一個令人興奮的時間節(jié)點，有機會去證明其中可能正確的理論。“我們將在 21 世紀 30 年代啟用一大批儀器，希望能探測到引力波，”懷特說，“如果我們能真的探測到它們，那將非常令人興奮?！?/p>
不過，即使探測器沒能發(fā)現(xiàn)這些 Q 球產(chǎn)生的引力波，也可能是個好消息，因為這意味著一些更簡單的理論可能是正確的 —— 而且更容易驗證。“所以從某種程度上說，這是一次不會失敗的嘗試，”懷特說道。
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