有望冲击诺奖！这一现象触及宇宙诞生的秘密
研究人员数了那些“顺时针”和“逆时针”的四面体，惊讶地发现它们的数量显著不同。图片来源：Myriam Wares for Quanta Magazine
撰文｜Katie McCormick
翻译｜陶兆巍
审校｜王昱
物理学家相信他们最近检测到了一个令人震惊的现象：星系在宇宙中的分布似乎是不对称的。如果这个结论得到证实，那它将为我们带来有关宇宙大爆炸时期物理规律的一些线索。
“如果真的是这样，那可有人要得诺贝尔奖了。”马克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）说，他是一位约翰霍普金斯大学的物理教授，也是2021年格鲁伯宇宙学奖得主，他没有参与此项研究。
研究人员把宇宙中的星系看做点，四个一组构成四面体的四个顶点。他们统计了一个数据集里的一百万个星系，发现这些星系构成的四边形中，一种“方向”的比另一种方向的多。
纽约哥伦比亚大学的天体物理学家奥利弗·菲尔考克斯（Oliver Philcox）9月份在《物理评论D》上发表了一篇论文，首次提到了这种四面体和其镜像的数量可能不一致。在同时进行的一项独立研究中，佛罗里达大学的侯嘉敏（Jiamin Hou，音译）和扎卡里·斯雷皮安（Zachary Slepian）以及劳伦斯伯克利国家实验室的罗伯特·卡恩（Robert Cahn）也检测到了这种不对称性，这项研究目前正在接受同行评审。
但是，专家认为，我们需要谨慎对待这个（仍在审核中的）巨大发现。“没有明显理由表明他们犯了一个错误，”奥克兰大学的宇宙学家肖恩·霍奇基斯（Shaun Hotchkiss）说，“但这不意味着一定没有错误。”
这种数量上的不一致违反了我们称之为“宇称”（Parity）的对称性，也就是左和右的镜像对称。如果观测结果可靠，物理学家认为它一定反映了宇宙早期状态中有一个我们还不知道的违反宇称的过程，它为宇宙中所有结构的发展播下了种子。
“这个结果真是难以置信，”卡米翁科夫斯基说，“我都不知道我该不该相信它了。我打算先等等再庆祝。”
科学家曾认为我们的世界中的物理定律和镜像世界中应该是一致的。但后来，在1957年，华裔物理学家吴建雄的核衰变实验显示，我们的宇宙有轻微的手性。弱相互作用力导致了原子核的衰变，这个过程中的亚原子粒子总是有着与运动方向相反的磁力方向，因此它们像左旋螺丝一样旋转。但是它们的镜像粒子却不受弱力作用。
吴建雄的结果震惊了世界。物理学家约翰·布拉特（John Blatt）在给泡利（Wolfgang Pauli）的信中写到：“我们都为我们亲爱的朋友——宇称——的去世感到浑身发抖。”而泡利一开始根本就不相信这个结果。
弱力的左手性的作用是局域性的，它不可能在星系的层面上影响到宇宙。但是自从吴健雄的发现以来，物理学家们一直在寻找宇宙层面上的手性。如果说我们的宇宙在萌芽状态时经历了一些违反宇称的过程，它就可能在宇宙的结构上留下一些扭曲的痕迹。
在宇宙诞生或者接近宇宙诞生的时候，一种名为“暴胀子”（inflaton）的场充满了整个空间。暴胀子场是一种浑浊、沸腾的介质，暴胀粒子在其中不断冒泡和消失，同时它带来一种斥力。在它可能存在的短暂的时间里，它会导致我们的宇宙的直径迅速膨胀到原来的10²⁶倍。暴胀子场中所有粒子的量子波动被抛出并冻结在宇宙中，构成了现在宇宙中的物质密度分布。这些物质在引力的作用下逐渐聚合成如今的星系和大尺度结构。
1999年，包含卡米翁科夫斯基在内的研究人员考虑了一种可能性：如果在暴胀之前存在不止一种场的话，会发生什么。其他的场可能产生了一些左右手性的粒子，暴胀子场与它们相互作用，假如这种作用是手性的话，那么它可能会更有倾向性得创造某一种手性的粒子。这种所谓的陈-西蒙斯（Chern-Simons）耦合会给早期的量子波动注入一种偏好的手性，它将最后演化为星系四面体分布的手性不对称。
至于这种额外的场可能是什么，有一种可能性是引力场。这种情况下，一些引力子（引力的量子单元）将在暴胀期间突出出现在引力场中，然后一种违反宇称的陈-西蒙斯相互作用将发生在暴胀粒子和引力子之间。这种相互作用会在早期宇宙的密度变化中产生手性，进而导致如今宇宙大尺度结构的手性。
这张图片大概覆盖了天空的1/20，每一个点都代表了一个星系。这幅图是由斯隆数字化巡天（SDSS）和其重子震荡光谱巡天绘制的。文中的星系数据即来源于此。图片来源：Daniel Eisenstein/SDSS-III collaboration
2006年，现布朗大学的物理学家斯蒂芬·亚历山大（Stephon Alexander）提出，陈-西蒙斯引力有可能解决宇宙学中的最大谜团之一——为什么我们的宇宙中物质多于反物质？他推测，陈-西蒙斯相互作用可能产生了相对丰富的左手引力子，这进一步会优先创造左手物质而不是右手反物质。
多年来，亚历山大的想法没有引起大家的注意。当他听到新的发现时，他说：“这真是个巨大的惊喜”。
卡恩认为，用早期宇宙中的宇称破缺来解决物质-反物质不对称难题是“冒险的，但又是诱人的挑战”。2019年，他决定在斯隆数字化巡天（SDSS）的星系目录中寻找宇称破缺。他并不指望能找到什么，但认为这值得一试。
为了测试星系分布是否违反宇称，他和合作者需要研究四个星系的四面体排列——四面体是最简单的三维形状，而只有三维物体才有机会违反宇称。为了理解这一点，可以看看你的手。因为手是三维的，所以没有办法旋转左手使其看起来像右手。把你的左手翻过来，让两只手的大拇指都在左边，你的手看起来还是不一样——两只手掌的朝向相反。相比之下，如果你在一张纸上描画一只左手，并剪下二维图像，将剪下的图像翻转过来，就会看起来像一只右手。二维的剪纸和它的镜像是无法区分的。
2020年，斯雷皮安和卡恩想出了一种定义四面体排列的星系的 “手性”的方法，以便比较天空中的左手排布和右手排布的数量：如下图所示，我们取一个星系，并观察其与其他三个星系的距离。如果距离延顺时针方向增加，我们就称四面体称为右手的。如果距离沿逆时针方向增加，则为左手的。（实际上定义的是给定一个顶点的四面体）
图片来源：Merrill Sherman/Quanta Magazine
为了确定整个宇宙是否有偏好的手性，他们得在100万个星系的数据库中构建的所有四面体上重复计算——总共有10²⁴那么多个四面体，计算量大到无法接受。但是，基于他们此前在一系列研究中积累的大量计算技巧，他们最终找到了快得多的算法。然后，研究人员基于保宇称的物理学定律模拟了宇宙的生成和演化过程，得到一个“假的宇宙”，然后对比了两个宇宙的计算结果。研究小组在真实宇宙得到的数据中发现了7σ级别可信度的宇称破缺，这意味着如果这个模拟的保宇称的宇宙生成过程符合真实情况，那么每生成大约10¹²个宇宙会出现一次我们观测到的不平衡水平。
卡米翁科夫斯基称，“他们能够做到这一点是不可思议的。从技术上讲，这绝对是令人震惊的。这是一个非常、非常、非常复杂的分析。”
菲尔考克斯使用了类似的方法（他曾与侯、斯雷皮安和卡恩共同撰写论文，提出了这样的分析方法），但是他做了一些不同的选择，并且在分析中省略了一些有问题的四面体，因此发现了一个更温和的2.9σ的宇称破缺。科学家们正在研究他们分析之间的差异。即使大家在理解这些数据上已经做出很大努力，目前各方仍然保持着谨慎的态度。
这一惊人的发现可能有助于我们回答关于宇宙的长期问题。但这项工作才刚刚开始。
首先，物理学家们需要验证（或证伪）这一观察。为了重复此次分析结果的宏大巡天调查已经启动。例如，正在进行的暗能量光谱仪巡天，到目前为止已经记录了1400万个星系，最终将超过3000万个。卡恩说：“这将给我们一个机会，以更好的统计数字更详细地观察这个问题。”
作为四面体四个顶点的罗伯特四重星系。图片来源：ESO
此外，如果违反宇称的信号是真实的，它可能会在星系分布以外的数据中显示出来。例如，世界上最古老的光线——宇宙微波背景辐射（CMB），它是早期宇宙留下的照片。物理学家认为应该可以从CMB的斑纹模式中找到类似的宇称破缺的信号。
另一个要注意的地方是在暴胀期间可能产生的引力波模式，称为随机引力波背景（SGWB）。这些螺丝纹路形状的时空涟漪既可以是左旋的也可以是右旋的。在一个保宇称的世界中，两者数量相等。因此，如果有办法测量SGWB，并证明某个方向受到概率更大，这又将是对早期宇宙中宇称破缺的另一个独立的证明。
随着寻找确凿证据的工作开始，理论物理学家将研究可能产生该信号的暴胀模型。菲尔考克斯与新泽西州普林斯顿高等研究所的理论物理学家乔瓦尼·卡巴斯（Giovanni Cabass）一起，最近用他的方法测量了一系列可能违反宇称的暴胀模型，包括那些陈-西蒙斯型的模型。(他们目前还不能肯定地说有哪个模型是正确的）
亚历山大还将他的工作重点重新放在理解陈-西蒙斯引力上。卡米翁科夫斯基，西蒙斯基金会下的纽约熨斗区研究所（Flatiron Institute）的西里尔·克雷克-萨宾诺夫斯基（Cyril Creque-Sarbinowski），他们与亚历山大合作，已经开始研究早期宇宙中的陈-西蒙斯引力如何影响今天的星系分布的微妙细节。
“有好一段时间，我像一个孤独的士兵一般独自在推动这个研究，”亚历山大说。“很高兴看到人们对此感兴趣了。”
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