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物理學(xué)家認(rèn)為，他們已經(jīng)探測(cè)到天空中星系排列的驚人不對(duì)稱性。如果得到證實(shí)，這一發(fā)現(xiàn)將指向大爆炸期間未知的基本定律的特征。 研究人員在四個(gè)星系的集合之間畫了線，構(gòu)建了被稱為四面體的四面體。當(dāng)他們從100萬(wàn)個(gè)星系的“集合”中構(gòu)建出每一個(gè)可能的四面體時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)朝向一個(gè)方向的四面體的數(shù)量超過了它們的鏡像。 紐約哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家奧利弗·菲爾考克斯在9月份發(fā)表在《物理評(píng)論D》上的一篇論文中首次報(bào)道了四面體及其鏡像之間的不平衡。 但是有了這樣一個(gè)重磅發(fā)現(xiàn)（而且這個(gè)發(fā)現(xiàn)還在審查中），專家們說謹(jǐn)慎是有必要的。沒有明顯的理由表明他們是錯(cuò)的，但這并不意味著沒有錯(cuò)誤。 這種假定的不平衡違反了一種叫做“宇稱”的對(duì)稱性，即左右等價(jià)。如果觀測(cè)經(jīng)得起推敲，物理學(xué)家們認(rèn)為它一定反映了一種未知的、違反宇稱的成分，這種成分存在于原始過程中，為我們宇宙中所有結(jié)構(gòu)的發(fā)展播下了種子。 左撇子的宇宙宇稱曾是物理學(xué)中被珍視的對(duì)稱性。但在1957年，美籍華裔物理學(xué)家吳健雄的核衰變實(shí)驗(yàn)揭示了我們的宇宙確實(shí)有輕微的不對(duì)稱性：在導(dǎo)致核衰變的弱核力中，亞原子粒子的磁場(chǎng)方向總是與它們運(yùn)動(dòng)的方向相反，因此它們就像左手螺旋的螺紋一樣旋轉(zhuǎn)。鏡像粒子感覺不到弱力。 
吳的發(fā)現(xiàn)令人震驚。弱力的左手性具有微妙的影響，不可能在星系尺度上影響宇宙。但自從吳的發(fā)現(xiàn)以來，物理學(xué)家們一直在尋找宇宙與它的鏡像不同的其他方式。 例如，如果某些原始的宇稱破壞（宇稱不守恒）在宇宙的嬰兒期起作用，它可能在宇宙結(jié)構(gòu)上留下了一種扭曲。 在宇宙誕生之時(shí)或接近誕生之時(shí)，一種被稱為暴脹的場(chǎng)被認(rèn)為已經(jīng)滲透到宇宙中。在一個(gè)“沸騰”的介質(zhì)中，暴脹粒子不斷地冒起和消失。暴脹場(chǎng)也是排斥的，在它可能存在的短暫時(shí)間里，它會(huì)導(dǎo)致我們的宇宙迅速膨脹到原來的100萬(wàn)億倍。所有這些暴脹場(chǎng)中粒子的量子漲落被拋向外，凍結(jié)在宇宙中，成為物質(zhì)密度的變化。密度更大的“東西”繼續(xù)在引力作用下合并，產(chǎn)生了我們今天看到的星系和大規(guī)模結(jié)構(gòu)。 1999年，研究人員考慮過，如果在爆炸之前存在不止一個(gè)磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生什么。暴脹場(chǎng)可能與另一個(gè)場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生右撇子和左撇子。如果暴脹對(duì)右撇子和左撇子的處理方式不同，那么它就會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生偏手性的粒子。這種所謂的陳一西蒙斯（Chern-Simons coupling）耦合會(huì)使早期的量子漲落具有偏好的左手性，這將演變成星系左手和右手四面體排列的不平衡。 至于附加場(chǎng)可能是什么，一種可能是引力場(chǎng)。在這種情況下，在暴脹粒子和引力子之間會(huì)發(fā)生違反宇稱的相互作用，而引力子在暴脹過程中會(huì)在引力場(chǎng)中突然出現(xiàn)。這樣的相互作用會(huì)在早期宇宙的密度變化中產(chǎn)生左手性，從而在今天的大尺度結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生左手性。 
2006年，布朗大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬·亞歷山大提出，陳-西蒙斯引力理論也有可能解決宇宙學(xué)中最大的一個(gè)謎團(tuán)：為什么我們的宇宙中含有的物質(zhì)比反物質(zhì)多。他推測(cè)，陳-西蒙斯相互作用可能產(chǎn)生了相對(duì)豐富的左旋引力子，這反過來會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生左旋物質(zhì)而不是右旋反物質(zhì)。天空中的四面體卡恩認(rèn)為，用早期宇宙中的宇稱破壞來解決物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱之謎的可能性是“推測(cè)性的。2019年，他決定在星系中尋找宇稱破壞。為了測(cè)試星系分布是否遵守或違反宇稱，他和他的合作者研究四個(gè)星系的四面體排列。這是因?yàn)樗拿骟w是最簡(jiǎn)單的三維形狀，只有3D對(duì)象有機(jī)會(huì)違反宇稱性。要理解這一點(diǎn)，就看看你的手。因?yàn)槭质?D的，沒有辦法旋轉(zhuǎn)左手使它看起來像右手。相比之下，如果你在一張紙上畫一只左手，然后剪出2D圖像，把它翻轉(zhuǎn)過來，它看起來就像右手。2020年，卡恩提出了一種定義星系四面體排列的“左手性”的方法，以便比較天空中“左撇子”和“右撇子”的數(shù)量。首先，他們選取了一個(gè)星系，并觀察了它與其他三個(gè)星系的距離。如果距離像右手螺旋一樣順時(shí)針方向增加，他們稱之為右手四面體。如果沿逆時(shí)針方向，距離增加，它就是左手四面體。為了確定宇宙作為一個(gè)整體是否具有左右性，他們必須對(duì)從100萬(wàn)個(gè)星系數(shù)據(jù)庫(kù)中構(gòu)建的所有四面體重復(fù)分析。這樣的四面體有近一萬(wàn)億個(gè)。但在早期研究另一個(gè)問題時(shí)開發(fā)的分解技巧讓研究人員可以更全面地觀察四面體的宇稱性：他們不是一次構(gòu)建一個(gè)四面體并確定它的宇稱性，而是可以依次選取每個(gè)星系，根據(jù)它們與該星系的距離將所有其他星系分組，就像洋蔥的層次一樣。然后，研究人員將結(jié)果與他們基于物理守恒定律的預(yù)期進(jìn)行了比較。該團(tuán)隊(duì)在真實(shí)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了“7西格瑪”水平的宇稱不守恒，這意味著左右四面體之間的不平衡是隨機(jī)概率和其他可以想象的誤差來源的7倍。從技術(shù)上來說，這絕對(duì)令人震驚。這是一個(gè)非常非常非常復(fù)雜的分析。 確鑿的證據(jù)這一令人驚訝的發(fā)現(xiàn)暗示了一種新的物理學(xué)，有可能回答長(zhǎng)期存在的關(guān)于宇宙的問題。但這項(xiàng)工作才剛剛開始。首先，物理學(xué)家需要證實(shí)或證偽觀測(cè)結(jié)果。新的研究已經(jīng)在進(jìn)行中，以重復(fù)上述分析。例如，目前正在進(jìn)行的暗能量光譜儀器調(diào)查已經(jīng)記錄了1400萬(wàn)個(gè)星系，當(dāng)它完成時(shí)將包含超過3000萬(wàn)個(gè)星系。這將使我們有機(jī)會(huì)用更好的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更詳細(xì)地研究這個(gè)問題。此外，如果違反宇稱的信號(hào)是真實(shí)的，它可能出現(xiàn)在星系分布以外的數(shù)據(jù)中。例如，天空中最古老的光（一團(tuán)被稱為宇宙微波背景輻射的輻射，是早期宇宙遺留下來的），為我們提供了宇宙空間變化的最早快照。這種光的斑駁圖案應(yīng)該包含與后來形成的星系相同的違反宇稱的相關(guān)性。物理學(xué)家說，在光中找到這樣的信號(hào)應(yīng)該是可能的。另一個(gè)可以觀察的地方是可能在膨脹過程中產(chǎn)生的引力波的模式，稱為隨機(jī)引力波背景。在時(shí)空結(jié)構(gòu)中，這些螺旋狀的波紋可以是右手的，也可以是左手的，在一個(gè)宇稱守恒的世界中，它們所包含的兩種物質(zhì)的數(shù)量是相等的。因此，如果物理學(xué)家設(shè)法測(cè)量這個(gè)背景，這將是對(duì)早期宇宙中違反宇稱性的一個(gè)明確的、獨(dú)立的檢驗(yàn)。隨著尋找確證證據(jù)的工作開始，理論家們將研究可能產(chǎn)生這一信號(hào)的模型。最近，研究人員測(cè)試了一系列違反宇稱的模型，包括那些陳-西蒙斯模型。他們還不能確定哪個(gè)模型是正確的。
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