星系在宇宙中的分布不對稱？這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)有望沖擊諾獎！
導讀
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型的概率比它的鏡像構型的概率更大。如果被證實，那這將是諾獎級的成果。不過這個結論目前還需要進一步驗證。
撰文｜Katie McCormick
翻譯｜陶兆巍
審校｜王昱
譯文來源 ｜ 環(huán)球科學
物理學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。如果這個結論得到證實，那它將為我們帶來有關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?！瘪R克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）說，他是一位約翰霍普金斯大學的物理教授，也是2021年格魯伯宇宙學獎得主，他沒有參與此項研究。
研究人員把宇宙中的星系看做點，四個一組構成四面體的四個頂點。他們統(tǒng)計了一個數(shù)據集里的一百萬個星系，發(fā)現(xiàn)這些星系構成的四邊形中，一種“方向”的比另一種方向的多。
紐約哥倫比亞大學的天體物理學家奧利弗·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。在同時進行的一項獨立研究中，佛羅里達大學的侯嘉敏（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，專家認為，我們需要謹慎對待這個（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，”奧克蘭大學的宇宙學家肖恩·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。如果觀測結果可靠，物理學家認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，它為宇宙中所有結構的發(fā)展播下了種子。
“這個結果真是難以置信，”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
科學家曾認為我們的世界中的物理定律和鏡像世界中應該是一致的。但后來，在1957年，華裔物理學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動方向相反的磁力方向，因此它們像左旋螺絲一樣旋轉。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
吳建雄的結果震驚了世界。物理學家約翰·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?！倍堇婚_始根本就不相信這個結果。
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)時經歷了一些違反宇稱的過程，它就可能在宇宙的結構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，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在宇宙中，構成了現(xiàn)在宇宙中的物質密度分布。這些物質在引力的作用下逐漸聚合成如今的星系和大尺度結構。
1999年，包含卡米翁科夫斯基在內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生手性，進而導致如今宇宙大尺度結構的手性。
2006年，現(xiàn)布朗大學的物理學家斯蒂芬·亞歷山大（Stephon Alexander）提出，陳-西蒙斯引力有可能解決宇宙學中的最大謎團之一——為什么我們的宇宙中物質多于反物質？他推測，陳-西蒙斯相互作用可能產生了相對豐富的左手引力子，這進一步會優(yōu)先創(chuàng)造左手物質而不是右手反物質。
多年來，亞歷山大的想法沒有引起大家的注意。當他聽到新的發(fā)現(xiàn)時，他說：“這真是個巨大的驚喜”。
宇宙中的四面體
卡恩認為，用早期宇宙中的宇稱破缺來解決物質-反物質不對稱難題是“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會違反宇稱。為了理解這一點，可以看看你的手。因為手是三維的，所以沒有辦法旋轉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，我們取一個星系，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)據庫中構建的所有四面體上重復計算——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果。研究小組在真實宇宙得到的數(shù)據中發(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是不可思議的。從技術上講，這絕對是令人震驚的。這是一個非常、非常、非常復雜的分析?！?/span>
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)據上已經做出很大努力，目前各方仍然保持著謹慎的態(tài)度。
尋找確鑿的證據
這一驚人的發(fā)現(xiàn)可能有助于我們回答關于宇宙的長期問題。但這項工作才剛剛開始。
首先，物理學家們需要驗證（或證偽）這一觀察。為了重復此次分析結果的宏大巡天調查已經啟動。例如，正在進行的暗能量光譜儀巡天，到目前為止已經記錄了1400萬個星系，最終將超過3000萬個?？ǘ髡f：“這將給我們一個機會，以更好的統(tǒng)計數(shù)字更詳細地觀察這個問題。”
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。物理學家認為應該可以從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生的引力波模式，稱為隨機引力波背景（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立的證明。
隨著尋找確鑿證據的工作開始，理論物理學家將研究可能產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節(jié)。
“有好一段時間，我像一個孤獨的士兵一般獨自在推動這個研究，”亞歷山大說。“很高興看到人們對此感興趣了?！?/span>
制版編輯 | 小圭月
