物理學家150年前的結(jié)點假說或可揭示宇宙存在之謎

廣島大學的研究團隊從開爾文勛爵1867年提出的"以太結(jié)點"假說中獲得啟示。

1867年，開爾文勛爵曾將原子設(shè)想為以太中的復雜結(jié)狀結(jié)構(gòu)。該理論雖很快被證偽，卻可能對宇宙學產(chǎn)生著深遠影響。

150多年后的今天，一個日本物理學家團隊正重新審視這一概念，以期解決宇宙學中最經(jīng)久不衰的謎題：為何宇宙充滿物質(zhì)，卻難覓反物質(zhì)的蹤跡？

一項新研究提出，"宇宙結(jié)" —— 時空結(jié)構(gòu)中拓撲穩(wěn)定的纏結(jié) —— 誕生于宇宙極早期。這些結(jié)構(gòu)可能以偏向物質(zhì)而非反物質(zhì)的方式發(fā)生坍縮，并在時空中留下了獨特"背景音"，未來探測器或可捕捉到這種信號。

物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱之謎

根據(jù)理論，大爆炸應(yīng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。隨后正反粒子會相互湮滅，最終僅剩輻射。然而觀測顯示存在顯著不對稱性：每十億對正反物質(zhì)粒子中，就有一個物質(zhì)粒子幸存。宇宙主要由物質(zhì)構(gòu)成，從原子到星系、從夸克到類星體，所有可見結(jié)構(gòu)皆源于此。

盡管粒子物理學的標準模型成功描述了物質(zhì)的基本構(gòu)成，卻無法解釋物質(zhì)與反物質(zhì)之間的這種差異。這個關(guān)乎人類存在本質(zhì)的問題，始終是科學界未解的謎題。

"本研究致力于破解物理學最基礎(chǔ)的謎團：為何宇宙由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成。"通訊作者、廣島大學教授新田計人在新聞稿中闡釋，"這個問題的重要性在于，它直接關(guān)乎恒星、星系乃至人類自身存在的根本原因。"

新田與廣島大學團隊認為，他們可能找到了解釋這種不對稱性（即重子生成）的答案。團隊將規(guī)范化的重子數(shù)減輕子數(shù)對稱性與佩塞-奎恩對稱性結(jié)合，證明宇宙極早期可能自然形成結(jié)狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生物質(zhì)盈余。

聆聽宇宙的引力波合唱

該修正框架揭示：早期宇宙冷卻過程中，相變產(chǎn)生了名為宇宙弦的線狀缺陷 —— 這些假想中的時空裂縫可能至今仍存在。攜帶通量的B-L宇宙弦與類超流體PQ渦旋結(jié)合，可形成穩(wěn)定的結(jié)型孤子。

"此前無人同時研究這兩種對稱性。將二者結(jié)合后，穩(wěn)定的結(jié)狀結(jié)構(gòu)便顯現(xiàn)出來。"新田解釋道。

這些結(jié)最終會因量子隧穿效應(yīng)衰變，產(chǎn)生重右手中微子，最終形成物質(zhì)多于反物質(zhì)的局面。團隊計算表明，重中微子的典型質(zhì)量與結(jié)坍釋放的能量使宇宙重新加熱至100GeV —— 這正是物質(zhì)持續(xù)形成的精確閾值。

科學家還提出，該過程改變了宇宙的"引力波合唱"，使其向更高頻率偏移。他們相信，未來歐洲的激光干涉空間天線、美國的宇宙探索者以及日本的十進制赫茲干涉引力波天文臺等觀測站，或?qū)⒛苡涗涍@一微妙變化。

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