对称性被打破，暗物质或许是戈德斯通玻色子？宇宙大爆炸后突发神秘事件

新研究表明，早期宇宙中的神秘一“击”可能导致了暗物质的产生。

（图源：马克·加里克/盖蒂图片社-科学图片库 ）

关于宇宙有许多挥之不去的谜题，其中一个就是“万物为何存在”。

这是因为在现今的宇宙中，物质和其反物质对应物在形成时应该数量相等，然后这两种带相反电荷的物质在接触时会互相湮灭。因此，宇宙中的所有物质都应该一形成就立刻消失，即物质与反物质对应物接触时，就立刻自我抵消。

但现实是湮灭并没有发生。有新的研究提出假设：在宇宙的早期阶段，曾经有一次神秘事件使物质的数量多于反物质，最终带来了今天的不平衡局面。这种不平衡也可能导致了暗物质的产生。暗物质能够吸引一切东西，并不跟光发生反应。

是意外还是宇宙“计划好的”？

虽然我们不清楚暗物质到底是什么，但可以肯定它是存在的。宇宙中80%的物质都是暗物质，其数量比例远超过我们所能看见的恒星、星系、尘埃和气体。

虽然暗物质在宇宙中是重量级的存在，但奇怪的是，它并不占主导地位。在物理学中，两种力相互作用时，更强的一方最终都会占主导。除非这个过程中还有其他物理学起作用，否则两个相互作用的力很少达到平衡的状态。举个例子，如果一颗巨星内部有引力和电磁力在相互作用，最终都会是引力胜出并使得恒星坍塌。

因此，“暗物质占宇宙质量的80%而非99.99999%、普通物质占20%而非零”这件事着实让科学家们感到奇怪。如果平分彩票奖金用80/20这个比例，显然不是对半的，但对天文学家而言，这个比例在我们的宇宙中却代表着两者数量相等。

图解：宇宙中暗物质与可见物质的比例图 图源：NASA（美国航空航天局）

而让问题更棘手的是，据我们所知，普通物质的产生和暗物质的产生两者毫无关联。我们还无法得知暗物质在早期宇宙是如何出现的，但不管真相如何，它肯定都不属于我们已知的物理学范畴。

至于普通物质，则是另外的一堆粒子。物理学家们猜想，在最早期的宇宙（诞生第一秒时），普通物质和反物质（跟普通物质一样但带有相反电荷）处于完美平衡的状态。虽然这个平衡后来被打破了，但它在最初确实是存在的，因为在粒子对撞机中我们看到了这种对称性，它可以复制早期宇宙的极端条件：如果存在一个能产生常规物质的高能量反应，那同样地它也能产生反物质。

然而在稍后的某个时刻（无法确定具体时间，但很可能是在宇宙诞生不到一分钟的时候），物质和反物质的平衡发生了变化，普通物质得以遍布宇宙，把反物质“打压”得销声匿迹。

因此，其一是发生了一件打破对称性的事件，导致普通物质“打赢”了反物质。其二，则是发生了另一件极其神秘的事件，导致暗物质成为宇宙中体量大却又不占主导的存在。新研究提出，也许这两个事件是有关联的，暗物质的诞生与普通物质战胜反物质有关。

图解：物质和反物质互相湮灭情景设想图 图源：NASA/CXC/M.Weiss（美国航空航天局/钱德拉X射线中心/M.韦斯）

寻找戈德斯通玻色子

上述这项研究在2020年12月29日被在线发布于预印本文献库arXiv，发布时尚未进行同行评审。研究人员是依据重子数对称性得出结论的。重子是由夸克（如质子和中子）组成的粒子。重子对称性指在一个相互作用中，进入和退出的重子数必须相等（重子可以切换成不同的粒子，但必须保持总数一致）。反夸克的相互作用中，也具有同样地对称性。

在现今的宇宙，这种对称性适用于我们的所有实验，但在早期的宇宙中，它却被打破了。这也是现在宇宙中物质多于反物质的原因。

在物理学中，每当一个连续对称性被自发破缺，一种名为“戈德斯通玻色子”的新粒子就会出现并强化打破。比如，在现代宇宙中，π介子就是核力对称性被打破后出现的戈德斯通玻色子。

研究提出，暗物质可能就是一种戈德斯通玻色子，与早期宇宙的重子数对称性被打破有着千丝万缕的联系。

谜团重重待深究

提出这一想法的研究人员称其为“一‘击’事件”。在目前的实验中，重子数对称性从未被打破过，但早期宇宙中肯定发生某些激烈的事件。这个事件虽然短暂却十分剧烈，消灭了几乎全部反物质。不管导致事件发生的外力是什么，重子数的平衡终究被打破，一并带来了新的戈德斯通玻色子。

由此，研究人员猜想，在那次奇异的事件中，暗物质粒子充满了宇宙。但随着打破对称性的条件退去，宇宙又回归了常态。然而为时已晚，在恢复对称性的宇宙中，暗物质和普通物质都依然存在、相安无事。

也就是说，宇宙在度过了剧烈变化的第一分钟后，才刚恢复正常，暗物质就被“降级”到看不见的地方，再也没能跟普通物质相互作用。

图解：哈勃太空望远镜拍摄的星系团MACS J1206NASA。在暗物质的引力下光线发生了扭曲，后方遥远星系的外形也因此产生扭曲变形。（美国航空航天局）

研究称，普通物质和暗物质的数量“大致相等”是因为它们两者间有关联。新模型虽然并未预测暗物质和普通物质的精准比例是80/20，但它表明两者数量相等的原因是它们都源自于那个神秘的事件。

这是一个非常有趣的猜测，但仍然没有解决对称性是如何被打破的谜题。科学家们还需要继续深入研究。

BY: Paul Sutter

FY: 两蚊未几

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