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这种极其微小的粒子,曾挽救了现在的宇宙?

来源:环球科学 作者: 发布时间:2020-02-18 15:10:19 浏览次数: 【字体:

根据现代宇宙学中的大爆炸理论,早期宇宙在创造物质的同时也产生了等量的反物质。最终迎来的结局将会是:物质和反物质相遇并湮灭,宇宙中只剩下能量。

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○ 暴胀之后,宇宙创造出来等量的物质和反物质。但在暴胀之后的相变或许导致了物质和反物质之间的轻微不平衡。这一相变很可能导致宇宙弦的诞生,宇宙弦会产生可被探测到的引力波。| 图片来源:Kavli IPMU - Kavli IPMU modified this figure based on the image credited by R.Hurt/Caltech-JPL, NASA, and ESA

宇宙是如何从一场彻底的湮灭中幸存的?

这并不是科幻小说或大片电影中的开场白,而是当今物理学家想要解决的最大的难题之一。根据现代宇宙学中的大爆炸理论,早期宇宙在创造物质的同时也产生了等量的反物质。如果这种状况一直维持下去,那么最终迎来的结局将会是:物质和反物质相遇并湮灭,宇宙中只剩下能量。

但事实显然不是这样的,在宇宙漫长的演化过程中,星系、恒星、行星,甚至是生命逐渐诞生,才有了今天我们所看到的由物质构成的世界。

要从一场彻底的湮灭中逃生,宇宙一定将少量的反物质变成了物质,造成了它们之间的不平衡。这种不平衡只需向物质倾斜十亿分之一即可。但这种不平衡是何时产生的,又是如何产生的?这些问题至今仍然困惑着所有人。

物质和反物质看起来完全一样,除了拥有相反的电荷。如果有一个由反物质制作的冰淇淋甜筒,那么在你碰到它之前,它看起来和平时的甜筒没什么两样。但我们知道,当物质和反物质相遇时,就会湮灭,化作一团能量。这意味着当你拿起反物质甜筒的时候,你身体的一部分会与甜筒湮灭,释放出比原子弹还要大得多的能量。

由于物质和反物质具有相反的电荷,因此它们不可能相互转化,除非它们是电中性的。在基本粒子中,中微子是我们所知道的唯一是电中性的物质粒子,这意味着它们或许可以完成这项任务。

中微子极其微小,它们几乎不与物质相互作用,因此研究它们是非常困难的一件事情。目前,一些耗资数十亿美元的大型实验(比如DUNE和Hyper-Kamiokane)都在竞相研究中微子和反中微子之间的行为是否存在差异。

一个已经获得很多支持的模型告诉我们,早期的宇宙经历了一次相变,使得中微子可以重组物质和反物质。这个模型被称为跷跷板机制,宇宙学家期待它能够解决两个大问题:物质和反物质的不对称性,以及为何已知的三种中微子都如此轻。跷跷板机制引入了一种被称为惰性中微子的新粒子,这种粒子的质量比已知中微子要大的多。但是要直接验证跷跷板机制需要一台比大型强子对撞机要出强许多数量级的粒子加速器。因此目前我们只能通过间接的方法来验证。

液态的水煮沸变成水蒸气,冷却的水结成冰,都是相变的例子。物质的行为会在特定的温度(临界温度)下会发生变化。有的金属被冷却到极低的温度时,会通过相变而完全失去其电阻成为超导体,这是可用于诊断癌症的核磁共振成像的基础,也是可以让火车以近500千米每小时的速度行进的磁悬浮技术的基础。

就像超导体一样,在宇宙暴胀(早期宇宙经历的一次指数式膨胀)之后经历的相变,可能创造出了非常小的磁场管——即宇宙弦。更具体的说,当相变发生时,宇宙的不同部分会经历轻微不同的相变(我们说相变是不“均匀”的)。在某些相变中,宇宙最终会纠缠在一起,无法完全解开。由此产生的结构就是宇宙弦。

宇宙弦会通过摆动来产生时空中的涟漪——引力波。由于宇宙弦中的能量密度非常大,它的运动足够剧烈到扭曲时空,并产生引力波。在宇宙138亿年的演化史中,由宇宙弦产生的引力波会一直穿行其中。这些引力波的波谱与先前从双黑洞合并或双中子星合并产生的引力波波谱非常不同。未来的引力波天文台(如LISA、BBO或DECIGO)都可以在几乎所有可能的临界温度下探测到这些引力波。

近年来,引力波的发现为我们研究宇宙打开了一扇新的窗口。通过引力波,物理学家和天文学家可以更深入地研究宇宙的过去,因为宇宙对引力来说是透明的,这使得我们可以借引力一直追溯到宇宙的起源。我们期待未来的引力波天文台能够揭开更多的信息,帮助我们找到新中微子的证据,并最终回答我们一直在寻找的答案:我们为何存在?


参考来源:

https://www.ipmu.jp/en/20200204-cosmicstringsgw

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.041804


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