研究人員數(shù)了那些“順時針”和“逆時針”的四面體,，驚訝地發(fā)現(xiàn)它們的數(shù)量顯著不同。圖片來源：Myriam Wares for Quanta Magazine

最新研究表明,，若將宇宙中四個星系連成一個四面體,，該四面體形成某一種構(gòu)型的概率比它的鏡像構(gòu)型的概率更大。如果被證實,，那這將是諾獎級的成果,。不過這個結(jié)論目前還需要進(jìn)一步驗證。

撰文｜Katie McCormick

翻譯｜陶兆巍

審校｜王昱

物理學(xué)家相信他們最近檢測到了一個令人震驚的現(xiàn)象：星系在宇宙中的分布似乎是不對稱的,。如果這個結(jié)論得到證實,，那它將為我們帶來有關(guān)宇宙大爆炸時期物理規(guī)律的一些線索。

“如果真的是這樣,，那可有人要得諾貝爾獎了,。”馬克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）說，他是一位約翰霍普金斯大學(xué)的物理教授,，也是2021年格魯伯宇宙學(xué)獎得主,，他沒有參與此項研究。

研究人員把宇宙中的星系看做點(diǎn),，四個一組構(gòu)成四面體的四個頂點(diǎn),。他們統(tǒng)計了一個數(shù)據(jù)集里的一百萬個星系，發(fā)現(xiàn)這些星系構(gòu)成的四邊形中,，一種“方向”的比另一種方向的多,。

紐約哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家奧利弗·菲爾考克斯（Oliver Philcox）9月份在《物理評論D》上發(fā)表了一篇論文，首次提到了這種四面體和其鏡像的數(shù)量可能不一致,。在同時進(jìn)行的一項獨(dú)立研究中,，佛羅里達(dá)大學(xué)的侯嘉敏（Jiamin Hou，音譯）和扎卡里·斯雷皮安（Zachary Slepian）以及勞倫斯伯克利國家實驗室的羅伯特·卡恩（Robert Cahn）也檢測到了這種不對稱性,，這項研究目前正在接受同行評審,。

但是,，專家認(rèn)為，我們需要謹(jǐn)慎對待這個（仍在審核中的）巨大發(fā)現(xiàn),?！皼]有明顯理由表明他們犯了一個錯誤，”奧克蘭大學(xué)的宇宙學(xué)家肖恩·霍奇基斯（Shaun Hotchkiss）說,，“但這不意味著一定沒有錯誤?！?/span>

這種數(shù)量上的不一致違反了我們稱之為“宇稱”（Parity）的對稱性,，也就是左和右的鏡像對稱。如果觀測結(jié)果可靠,，物理學(xué)家認(rèn)為它一定反映了宇宙早期狀態(tài)中有一個我們還不知道的違反宇稱的過程,，它為宇宙中所有結(jié)構(gòu)的發(fā)展播下了種子。

“這個結(jié)果真是難以置信,，”卡米翁科夫斯基說,，“我都不知道我該不該相信它了。我打算先等等再慶祝,?！?/span>

宇宙是個左撇子

科學(xué)家曾認(rèn)為我們的世界中的物理定律和鏡像世界中應(yīng)該是一致的。但后來,，在1957年,，華裔物理學(xué)家吳建雄的核衰變實驗顯示，我們的宇宙有輕微的手性,。弱相互作用力導(dǎo)致了原子核的衰變,，這個過程中的亞原子粒子總是有著與運(yùn)動方向相反的磁力方向，因此它們像左旋螺絲一樣旋轉(zhuǎn),。但是它們的鏡像粒子卻不受弱力作用,。

證明了宇稱不守恒的吳建雄。圖片來源：public domain

吳建雄的結(jié)果震驚了世界,。物理學(xué)家約翰·布拉特（John Blatt）在給泡利（Wolfgang Pauli）的信中寫到：“我們都為我們親愛的朋友——宇稱——的去世感到渾身發(fā)抖,。”而泡利一開始根本就不相信這個結(jié)果,。

弱力的左手性的作用是局域性的,，它不可能在星系的層面上影響到宇宙。但是自從吳健雄的發(fā)現(xiàn)以來,，物理學(xué)家們一直在尋找宇宙層面上的手性,。如果說我們的宇宙在萌芽狀態(tài)時經(jīng)歷了一些違反宇稱的過程，它就可能在宇宙的結(jié)構(gòu)上留下一些扭曲的痕跡,。

在宇宙誕生或者接近宇宙誕生的時候,，一種名為“暴脹子”（inflaton）的場充滿了整個空間。暴脹子場是一種渾濁、沸騰的介質(zhì),，暴脹粒子在其中不斷冒泡和消失,，同時它帶來一種斥力。在它可能存在的短暫的時間里,，它會導(dǎo)致我們的宇宙的直徑迅速膨脹到原來的102?倍,。暴脹子場中所有粒子的量子波動被拋出并凍結(jié)在宇宙中，構(gòu)成了現(xiàn)在宇宙中的物質(zhì)密度分布,。這些物質(zhì)在引力的作用下逐漸聚合成如今的星系和大尺度結(jié)構(gòu),。

1999年，包含卡米翁科夫斯基在內(nèi)的研究人員考慮了一種可能性：如果在暴脹之前存在不止一種場的話,，會發(fā)生什么,。其他的場可能產(chǎn)生了一些左右手性的粒子，暴脹子場與它們相互作用,，假如這種作用是手性的話,，那么它可能會更有傾向性得創(chuàng)造某一種手性的粒子。這種所謂的陳-西蒙斯（Chern-Simons）耦合會給早期的量子波動注入一種偏好的手性,，它將最后演化為星系四面體分布的手性不對稱,。

至于這種額外的場可能是什么，有一種可能性是引力場,。這種情況下,，一些引力子（引力的量子單元）將在暴脹期間突出出現(xiàn)在引力場中,，然后一種違反宇稱的陳-西蒙斯相互作用將發(fā)生在暴脹粒子和引力子之間,。這種相互作用會在早期宇宙的密度變化中產(chǎn)生手性，進(jìn)而導(dǎo)致如今宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的手性,。

這張圖片大概覆蓋了天空的1/20,，每一個點(diǎn)都代表了一個星系,。這幅圖是由斯隆數(shù)字化巡天（SDSS）和其重子震蕩光譜巡天繪制的。文中的星系數(shù)據(jù)即來源于此,。圖片來源：Daniel Eisenstein/SDSS-III collaboration

2006年,，現(xiàn)布朗大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬·亞歷山大（Stephon Alexander）提出，陳-西蒙斯引力有可能解決宇宙學(xué)中的最大謎團(tuán)之一——為什么我們的宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì),？他推測,，陳-西蒙斯相互作用可能產(chǎn)生了相對豐富的左手引力子，這進(jìn)一步會優(yōu)先創(chuàng)造左手物質(zhì)而不是右手反物質(zhì),。

多年來,，亞歷山大的想法沒有引起大家的注意。當(dāng)他聽到新的發(fā)現(xiàn)時,，他說：“這真是個巨大的驚喜”,。

宇宙中的四面體

卡恩認(rèn)為,，用早期宇宙中的宇稱破缺來解決物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱難題是“冒險的，但又是誘人的挑戰(zhàn)”,。2019年,，他決定在斯隆數(shù)字化巡天（SDSS）的星系目錄中尋找宇稱破缺。他并不指望能找到什么,，但認(rèn)為這值得一試,。

為了測試星系分布是否違反宇稱，他和合作者需要研究四個星系的四面體排列——四面體是最簡單的三維形狀,，而只有三維物體才有機(jī)會違反宇稱,。為了理解這一點(diǎn)，可以看看你的手,。因為手是三維的，所以沒有辦法旋轉(zhuǎn)左手使其看起來像右手,。把你的左手翻過來,，讓兩只手的大拇指都在左邊，你的手看起來還是不一樣——兩只手掌的朝向相反,。相比之下,，如果你在一張紙上描畫一只左手，并剪下二維圖像,，將剪下的圖像翻轉(zhuǎn)過來,，就會看起來像一只右手。二維的剪紙和它的鏡像是無法區(qū)分的,。

2020年,，斯雷皮安和卡恩想出了一種定義四面體排列的星系的 “手性”的方法，以便比較天空中的左手排布和右手排布的數(shù)量：如下圖所示,，我們?nèi)∫粋€星系,，并觀察其與其他三個星系的距離。如果距離延順時針方向增加,，我們就稱四面體稱為右手的,。如果距離沿逆時針方向增加，則為左手的,。（實際上定義的是給定一個頂點(diǎn)的四面體）

圖片來源：Merrill Sherman/Quanta Magazine

為了確定整個宇宙是否有偏好的手性,，他們得在100萬個星系的數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建的所有四面體上重復(fù)計算——總共有102?那么多個四面體，計算量大到無法接受,。但是,，基于他們此前在一系列研究中積累的大量計算技巧，他們最終找到了快得多的算法,。然后,，研究人員基于保宇稱的物理學(xué)定律模擬了宇宙的生成和演化過程,，得到一個“假的宇宙”，然后對比了兩個宇宙的計算結(jié)果,。研究小組在真實宇宙得到的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了7σ級別可信度的宇稱破缺,，這意味著如果這個模擬的保宇稱的宇宙生成過程符合真實情況，那么每生成大約1012個宇宙會出現(xiàn)一次我們觀測到的不平衡水平,。

卡米翁科夫斯基稱,，“他們能夠做到這一點(diǎn)是不可思議的。從技術(shù)上講,，這絕對是令人震驚的,。這是一個非常、非常,、非常復(fù)雜的分析,。”

菲爾考克斯使用了類似的方法（他曾與侯,、斯雷皮安和卡恩共同撰寫論文,，提出了這樣的分析方法），但是他做了一些不同的選擇,，并且在分析中省略了一些有問題的四面體,，因此發(fā)現(xiàn)了一個更溫和的2.9σ的宇稱破缺?？茖W(xué)家們正在研究他們分析之間的差異,。即使大家在理解這些數(shù)據(jù)上已經(jīng)做出很大努力，目前各方仍然保持著謹(jǐn)慎的態(tài)度,。

尋找確鑿的證據(jù)

這一驚人的發(fā)現(xiàn)可能有助于我們回答關(guān)于宇宙的長期問題,。但這項工作才剛剛開始。

首先,，物理學(xué)家們需要驗證（或證偽）這一觀察,。為了重復(fù)此次分析結(jié)果的宏大巡天調(diào)查已經(jīng)啟動。例如,，正在進(jìn)行的暗能量光譜儀巡天,，到目前為止已經(jīng)記錄了1400萬個星系，最終將超過3000萬個,?？ǘ髡f：“這將給我們一個機(jī)會，以更好的統(tǒng)計數(shù)字更詳細(xì)地觀察這個問題,?！?/span>

作為四面體四個頂點(diǎn)的羅伯特四重星系。圖片來源：ESO

此外,，如果違反宇稱的信號是真實的,，它可能會在星系分布以外的數(shù)據(jù)中顯示出來,。例如，世界上最古老的光線——宇宙微波背景輻射（CMB）,，它是早期宇宙留下的照片,。物理學(xué)家認(rèn)為應(yīng)該可以從CMB的斑紋模式中找到類似的宇稱破缺的信號。

另一個要注意的地方是在暴脹期間可能產(chǎn)生的引力波模式,，稱為隨機(jī)引力波背景（SGWB）,。這些螺絲紋路形狀的時空漣漪既可以是左旋的也可以是右旋的。在一個保宇稱的世界中,，兩者數(shù)量相等,。因此，如果有辦法測量SGWB,，并證明某個方向受到概率更大,，這又將是對早期宇宙中宇稱破缺的另一個獨(dú)立的證明。

隨著尋找確鑿證據(jù)的工作開始,，理論物理學(xué)家將研究可能產(chǎn)生該信號的暴脹模型,。菲爾考克斯與新澤西州普林斯頓高等研究所的理論物理學(xué)家喬瓦尼·卡巴斯（Giovanni Cabass）一起，最近用他的方法測量了一系列可能違反宇稱的暴脹模型,，包括那些陳-西蒙斯型的模型。(他們目前還不能肯定地說有哪個模型是正確的）

亞歷山大還將他的工作重點(diǎn)重新放在理解陳-西蒙斯引力上,?？孜炭品蛩够髅伤够饡碌募~約熨斗區(qū)研究所（Flatiron Institute）的西里爾·克雷克-薩賓諾夫斯基（Cyril Creque-Sarbinowski）,，他們與亞歷山大合作,，已經(jīng)開始研究早期宇宙中的陳-西蒙斯引力如何影響今天的星系分布的微妙細(xì)節(jié)。

“有好一段時間,，我像一個孤獨(dú)的士兵一般獨(dú)自在推動這個研究,，”亞歷山大說?！昂芨吲d看到人們對此感興趣了,。”

原文鏈接：

https://www./asymmetry-detected-in-the-distribution-of-galaxies-20221205/

有刪改