反物質消失，暗物質登場，神秘事件造就了現在的宇宙

對稱性被打破，暗物質或許是戈德斯通玻色子？宇宙大爆炸後突發神秘事件

新研究表明，早期宇宙中的神秘一“擊”可能導致了暗物質的產生。

（圖源：馬克·加里克/蓋蒂圖片社-科學圖片庫 ）

關於宇宙有許多揮之不去的謎題，其中一個就是“萬物爲何存在”。

這是因爲在現今的宇宙中，物質和其反物質對應物在形成時應該數量相等，然後這兩種帶相反電荷的物質在接觸時會互相湮滅。因此，宇宙中的所有物質都應該一形成就立刻消失，即物質與反物質對應物接觸時，就立刻自我抵消。

但現實是湮滅並沒有發生。有新的研究提出假設：在宇宙的早期階段，曾經有一次神秘事件使物質的數量多於反物質，最終帶來了今天的不平衡局面。這種不平衡也可能導致了暗物質的產生。暗物質能夠吸引一切東西，並不跟光發生反應。

是意外還是宇宙“計劃好的”？

雖然我們不清楚暗物質到底是什麼，但可以肯定它是存在的。宇宙中80%的物質都是暗物質，其數量比例遠超過我們所能看見的恆星、星系、塵埃和氣體。

雖然暗物質在宇宙中是重量級的存在，但奇怪的是，它並不占主導地位。在物理學中，兩種力相互作用時，更強的一方最終都會佔主導。除非這個過程中還有其他物理學起作用，否則兩個相互作用的力很少達到平衡的狀態。舉個例子，如果一顆巨星內部有引力和電磁力在相互作用，最終都會是引力勝出並使得恆星坍塌。

因此，“暗物質佔宇宙質量的80%而非99.99999%、普通物質佔20%而非零”這件事着實讓科學家們感到奇怪。如果平分彩票獎金用80/20這個比例，顯然不是對半的，但對天文學家而言，這個比例在我們的宇宙中卻代表着兩者數量相等。

圖解：宇宙中暗物質與可見物質的比例圖 圖源：NASA（美國航空航天局）

而讓問題更棘手的是，據我們所知，普通物質的產生和暗物質的產生兩者毫無關聯。我們還無法得知暗物質在早期宇宙是如何出現的，但不管真相如何，它肯定都不屬於我們已知的物理學範疇。

至於普通物質，則是另外的一堆粒子。物理學家們猜想，在最早期的宇宙（誕生第一秒時），普通物質和反物質（跟普通物質一樣但帶有相反電荷）處於完美平衡的狀態。雖然這個平衡後來被打破了，但它在最初確實是存在的，因爲在粒子對撞機中我們看到了這種對稱性，它可以複製早期宇宙的極端條件：如果存在一個能產生常規物質的高能量反應，那同樣地它也能產生反物質。

然而在稍後的某個時刻（無法確定具體時間，但很可能是在宇宙誕生不到一分鐘的時候），物質和反物質的平衡發生了變化，普通物質得以遍佈宇宙，把反物質“打壓”得銷聲匿跡。

因此，其一是發生了一件打破對稱性的事件，導致普通物質“打贏”了反物質。其二，則是發生了另一件極其神秘的事件，導致暗物質成爲宇宙中體量大卻又不佔主導的存在。新研究提出，也許這兩個事件是有關聯的，暗物質的誕生與普通物質戰勝反物質有關。

圖解：物質和反物質互相湮滅情景設想圖 圖源：NASA/CXC/M.Weiss（美國航空航天局/錢德拉X射線中心/M.韋斯）

尋找戈德斯通玻色子

上述這項研究在2020年12月29日被在線發佈於預印本文獻庫arXiv，發佈時尚未進行同行評審。研究人員是依據重子數對稱性得出結論的。重子是由夸克（如質子和中子）組成的粒子。重子對稱性指在一個相互作用中，進入和退出的重子數必須相等（重子可以切換成不同的粒子，但必須保持總數一致）。反夸克的相互作用中，也具有同樣地對稱性。

在現今的宇宙，這種對稱性適用於我們的所有實驗，但在早期的宇宙中，它卻被打破了。這也是現在宇宙中物質多於反物質的原因。

在物理學中，每當一個連續對稱性被自發破缺，一種名爲“戈德斯通玻色子”的新粒子就會出現並強化打破。比如，在現代宇宙中，π介子就是核力對稱性被打破後出現的戈德斯通玻色子。

研究提出，暗物質可能就是一種戈德斯通玻色子，與早期宇宙的重子數對稱性被打破有着千絲萬縷的聯繫。

謎團重重待深究

提出這一想法的研究人員稱其爲“一‘擊’事件”。在目前的實驗中，重子數對稱性從未被打破過，但早期宇宙中肯定發生某些激烈的事件。這個事件雖然短暫卻十分劇烈，消滅了幾乎全部反物質。不管導致事件發生的外力是什麼，重子數的平衡終究被打破，一併帶來了新的戈德斯通玻色子。

由此，研究人員猜想，在那次奇異的事件中，暗物質粒子充滿了宇宙。但隨着打破對稱性的條件退去，宇宙又迴歸了常態。然而爲時已晚，在恢復對稱性的宇宙中，暗物質和普通物質都依然存在、相安無事。

也就是說，宇宙在度過了劇烈變化的第一分鐘後，纔剛恢復正常，暗物質就被“降級”到看不見的地方，再也沒能跟普通物質相互作用。

圖解：哈勃太空望遠鏡拍攝的星系團MACS J1206NASA。在暗物質的引力下光線發生了扭曲，後方遙遠星系的外形也因此產生扭曲變形。（美國航空航天局）

研究稱，普通物質和暗物質的數量“大致相等”是因爲它們兩者間有關聯。新模型雖然並未預測暗物質和普通物質的精準比例是80/20，但它表明兩者數量相等的原因是它們都源自於那個神秘的事件。

這是一個非常有趣的猜測，但仍然沒有解決對稱性是如何被打破的謎題。科學家們還需要繼續深入研究。

BY: Paul Sutter

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