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(shuō)，這就相當(dāng)于在問(wèn)：為什么我們會(huì)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(cè)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(chǎng)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(huì)發(fā)生湮滅。今天的宇宙中，物質(zhì)的總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(duì)應(yīng)的反物質(zhì)應(yīng)該會(huì)相互湮滅，從而使宇宙中沒(méi)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(kāi)這個(gè)謎題。

一個(gè)潛在的解釋可能來(lái)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(duì)稱(chēng)性，意味著在每個(gè) Q 球中會(huì)存在不相等的物質(zhì)和反物質(zhì)部分。當(dāng)這些 Q 球“爆開(kāi)”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(píng)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(cè)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(chǎng)所覆蓋，每一個(gè)量子場(chǎng)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(chǎng)的波動(dòng)產(chǎn)生了構(gòu)成我們物理現(xiàn)實(shí)的基本粒子。為了說(shuō)明這些場(chǎng)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?chǎng)中任意一點(diǎn)對(duì)宇宙的貢獻(xiàn) —— 越靠近中心凹陷，勢(shì)能越大。正如蹦床表面的形狀決定了彈珠如何在保齡球周?chē)鷿L動(dòng)一樣，場(chǎng)的“形狀”也決定了場(chǎng)的行為。

美國(guó)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(duì)稱(chēng)。他們指出，控制宇宙早期暴脹過(guò)程的量子場(chǎng)必須相當(dāng)“淺”，從而使暴脹能夠發(fā)生 —— 換句話(huà)說(shuō)，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(dòng)時(shí)不會(huì)增加或減少太多的速度，量子場(chǎng)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(chǎng)不能為了產(chǎn)生粒子而與其他場(chǎng)（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(chǎng)會(huì)以某種方式與其他場(chǎng)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(chǎng)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(shuō)：“這些塊狀物被稱(chēng)為 Q 球。它們只是量子場(chǎng)的結(jié)塊?！彪S著宇宙的膨脹，這些 Q 球一直在周?chē)腔?，“它們最終會(huì)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(huì)永遠(yuǎn)持續(xù)下去。當(dāng) Q 球消失時(shí) —— 使宇宙中充滿(mǎn)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(lái)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(guò)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的激光干涉空間天線(xiàn)（LISA），以及位于地下的愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡等探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)然，這并不是解釋宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性的唯一理論。格雷厄姆?懷特對(duì)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(huì)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(cè)到引力波，”懷特說(shuō)，“如果我們能真的探測(cè)到它們，那將非常令人興奮?！?/p>

不過(guò)，即使探測(cè)器沒(méi)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(jiǎn)單的理論可能是正確的 —— 而且更容易驗(yàn)證?！八詮哪撤N程度上說(shuō)，這是一次不會(huì)失敗的嘗試，”懷特說(shuō)道。

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