宇宙學(xué)中最大的謎團(tuán)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(dāng)于在問:為什么我們會存在?近日,一組理論物理學(xué)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(tuán)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(yīng)的反物質(zhì)粒子,但反物質(zhì)的特性與物質(zhì)相反 —— 當(dāng)二者相互作用時(shí),就會發(fā)生湮滅。今天的宇宙中,物質(zhì)的總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過反物質(zhì),但宇宙學(xué)家相當(dāng)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(yīng)的反物質(zhì)應(yīng)該會相互湮滅,從而使宇宙中沒有任何物質(zhì)。但現(xiàn)實(shí)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(gè)謎題。
一個(gè)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(gè) Q 球中會存在不相等的物質(zhì)和反物質(zhì)部分。當(dāng)這些 Q 球“爆開”時(shí),它們釋放出的物質(zhì)比反物質(zhì)更多,同時(shí)產(chǎn)生時(shí)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(bào)》(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(xué),宇宙的結(jié)構(gòu)被不同的量子場所覆蓋,每一個(gè)量子場都描述了空間中所有點(diǎn)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(shí)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(gè)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(diǎn)對宇宙的貢獻(xiàn) —— 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(xué)的物理學(xué)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(dāng)“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(yīng)當(dāng)不是很重。正如一顆彈珠在保齡球凹陷處滾動時(shí)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(qiáng)烈的相互作用。但根據(jù)阿弗萊克和戴恩的理論,這個(gè)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(jìn)去。
新研究的第一作者、科維理宇宙物理學(xué)和數(shù)學(xué)研究所的物理學(xué)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?yàn)榕c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(yuǎn)持續(xù)下去。當(dāng) Q 球消失時(shí) —— 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(xiàng)新研究提出,這些聲波是時(shí)空漣漪,也就是引力波的來源之一。格雷厄姆?懷特的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,如果這些引力波真的存在,科學(xué)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(yuǎn)鏡等探測器進(jìn)行測量。
當(dāng)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(gè)令人興奮的時(shí)間節(jié)點(diǎn),有機(jī)會去證明其中可能正確的理論?!拔覀儗⒃?21 世紀(jì) 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(gè)好消息,因?yàn)檫@意味著一些更簡單的理論可能是正確的 —— 而且更容易驗(yàn)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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