科学探索|Q球或许能解释宇宙物质-反物质的不对称之谜 Q球或许能解释宇宙物质-反物质

宇宙学中最大的谜团之一，是宇宙为什么由如此多的物质组成，而不是反物质。从本质上说，这就相当于在问：为什么我们会存在？近日，一组理论物理学家表示，他们已经知道如何回答这一谜题，而他们所需要做的就是探测一种奇异量子物体产生的引力波。

反物质之谜-预告片（中英字幕）

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Q球是一种理论上存在于量子场的“团块”，形成于宇宙大爆炸后的瞬间

这种奇异的量子物体便是“Q球”（Q ball）。我们知道，每一种普通物质粒子都有相应的反物质粒子，但反物质的特性与物质相反——当二者相互作用时，就会发生湮灭。今天的宇宙中，物质的总量远远超过反物质，但宇宙学家相当确定，宇宙诞生之初产生了等量的物质和反物质；这些物质和对应的反物质应该会相互湮灭，从而使宇宙中没有任何物质。但现实是，物质普遍存在，这究竟是什么原因造成的？研究人员正逐渐揭开这个谜题。
一个潜在的解释可能来自Q球，这是在宇宙大爆炸之后，宇宙像气球一样迅速膨胀之前形成的“块” 。这些理论上的物体将包含它们自身物质-反物质的不对称性，意味着在每个Q球中会存在不相等的物质和反物质部分。当这些Q球“爆开”时，它们释放出的物质比反物质更多，同时产生时空涟漪——引力波。研究人员在10月27日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇新论文中表示，如果这些物体真的存在，我们可以利用引力波探测它们。
根据粒子物理学，宇宙的结构被不同的量子场所覆盖，每一个量子场都描述了空间中所有点的某些性质（比如电磁特性）。这些场的波动产生了构成我们物理现实的基本粒子。为了说明这些场是如何工作的，我们可以想象一张中间放着一个保龄球的蹦床。保龄球导致的蹦床形状变化代表了磁场中任意一点对宇宙的贡献——越靠近中心凹陷，势能越大。正如蹦床表面的形状决定了弹珠如何在保龄球周围滚动一样，场的“形状”也决定了场的行为。
【科学探索|Q球或许能解释宇宙物质-反物质的不对称之谜】美国普林斯顿大学的物理学家伊恩·阿弗莱克和迈克尔·戴恩在1985年提出了一种理论，试图解释宇宙中物质-反物质的不对称。他们指出，控制宇宙早期暴胀过程的量子场必须相当“浅”，从而使暴胀能够发生——换句话说，位于蹦床中心的保龄球应当不是很重。正如一颗弹珠在保龄球凹陷处滚动时不会增加或减少太多的速度，量子场的形状也意味着控制宇宙暴胀的能量一直是均匀的。
由于暴胀需要这种均匀性，因此量子场不能为了产生粒子而与其他场（可以看作是其他蹦床）产生太强烈的相互作用。但根据阿弗莱克和戴恩的理论，这个场会以某种方式与其他场相互作用，产生比反物质粒子更多的物质粒子。为了保持这种均匀的形状，量子场将这些粒子以“块”的形式包含了进去。
新研究的第一作者、科维理宇宙物理学和数学研究所的物理学家格雷厄姆·怀特说：“这些块状物被称为Q球。它们只是量子场的结块。”随着宇宙的膨胀，这些Q球一直在周围徘徊，“它们最终会成为宇宙最重要的部分，因为与宇宙的其他部分相比，它们拥有更多的能量。”
但这种情况不会永远持续下去。当Q球消失时——使宇宙中充满了比反物质多得多的物质——它们消失得如此突然，以至于产生了声波。这项新研究提出，这些声波是时空涟漪，也就是引力波的来源之一。格雷厄姆·怀特的团队认为，如果这些引力波真的存在，科学家就可以在地球上通过美国国家航空航天局（NASA）的激光干涉空间天线（LISA），以及位于地下的爱因斯坦望远镜等探测器进行测量。