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颠覆认知!发现新物理学?日本“宇宙结”或驱散物理学三朵乌云!

发布日期:2025-12-05 20:17    点击次数:170

我们的身体,乃至我们看到的整个星系,可能都源于宇宙大爆炸后遗留下的、一个已经“解开”的古老绳结。

这是一项发表在2025年8月29日《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的突破性理论。来自日本广岛大学、庆应大学、山形大学以及德国电子同步加速器研究所(DESY)的联合团队提出,这个“宇宙结”或许能一举解开当代物理学头顶最大的三朵乌云:暗物质是什么?为何有质量?以及,宇宙为何选择了物质而非反物质?

故事要从一个“幽灵”说起。

时间拉回到1867年,著名的开尔文勋爵(Lord Kelvin)曾有过一个天才般的脑洞:原子,会不会只是漂浮在“以太”中打的各种“结”?这个理论在当时极具吸引力,但随着现代物理学的建立,“以太”被证明不存在,这个“绳结理论”也随之被扫进了历史的故纸堆。

一百多年过去了,标准模型统治了物理学。它无比成功,却也留下了巨大的空白。

我们发现,宇宙中85%的物质是“暗物质”,但我们不知道它是什么。

我们发现,“中微子”这种幽灵粒子有微小质量,但我们不知道它如何获得质量。

我们还发现一个最大的悖论:大爆炸本应产生等量的物质和反物质,但它们一见面就会“同归于尽”,宇宙应该只剩下一片辐射。

可我们为什么还在这里?

显然,在宇宙最初的瞬间,每10亿对“物质-反物质”湮灭时,都幸存下了一个物质粒子。我们都是那场亿万分之一幸存游戏的赢家,但我们不知道规则是什么。

现在,Minoru Eto, Yu Hamada和Muneto Nitta等学者的团队,让开尔文的“幽灵”以一种极其现代的方式复活了。

他们没有使用“以太”,而是“缝合”了两个最前沿的理论扩展:Peccei-Quinn (PQ) 对称性(它被提出来解释“暗物质”轴子)和B-L 对称性(它被提出来解释“中微子”质量)。

当宇宙在高温中冷却时,就像水结冰会出现裂缝,这两种对称性的破缺,在宇宙时空中留下了两种不同的“线状缺陷”——宇宙弦。

单独的弦,就像一根松散的绳圈,会因为自身的张力而迅速收缩、消失。

然而,奇迹发生在两种弦相遇时。

研究人员发现,当携带“磁通量”的B-L弦(局域弦)和类似“超流体漩涡”的PQ弦(全局弦)相互缠绕、链接在一起时,一种诡异的物理效应(陈-西蒙斯耦合)启动了,它在弦上感应出了电荷。

这股电荷产生的排斥力,完美地平衡了弦的张力。

就像两根绳子,单独放着都会散掉,但你把它们系成一个死结,它就稳定了。物理学家通过数值模拟证实,这种“宇宙结”(一种拓扑孤子)是稳定存在的!

这才是风暴的开始。如果这种绳结真的存在,它们在宇宙早期的命运是什么?

研究表明,这些绳结的能量密度比辐射能量下降得更慢。这意味着,在宇宙大爆炸之后很短的时间里,宇宙可能进入了一个由这些“结”所主宰的时期——绳结主导时期

宇宙,曾经是一锅“绳结汤”。

但我们今天的宇宙并没有被绳结填满。它们去哪了?答案,比绳结本身更令人震撼:量子隧穿

这些稳定的绳结,最终会通过幽灵般的量子效应“解开”。

这场“解结”不是悄无声息的,它引发了一场剧烈的粒子“淋浴”,将绳结的全部能量释放出来,重新加热了宇宙。而这场淋浴中,喷涌出了一种至关重要的粒子——右旋中微子

还记得吗?B-L对称性就是为了解释中微子质量而引入的。

所以最关键的来了:这些重型右旋中微子极其不稳定,它们会衰变。而它们的衰变,恰好更偏爱产生“物质”,而不是“反物质”

这正是我们寻找已久的、打破平衡的那个“幸存法则”。

正如研究者之一的Yu Hamada所说:如果宇宙之结是我们的“祖父母”,那么右旋中微子就是我们的“父母”。我们今天所有的物质,包括我们的身体,都是这些绳结衰变的最终产物。

一个理论,同时提供了暗物质(PQ对称性)、中微子质量(B-L对称性)和物质起源(绳结衰变)的统一图景。

这听起来太完美了,难道只是个数学游戏吗?

不。这个理论最酷的地方在于,它提出了一个可以被检验的确凿证据——引力波

如果宇宙真的经历过那个“绳结主导时期”,这个时期的存在,会像重锤一样敲击时空,彻底改变宇宙“背景音乐”(随机引力波)的频谱。

根据他们的计算,这个事件会在引力波的频谱上,留下一个偏离标准平坦谱线的独特“拐点”或“鼓包”。

这,正是LISA、DECIGO和“宇宙探索者”(CE)等下一代引力波天文台即将搜索的黄金频段!如果未来我们没有在引力波中听到这个“鼓包”,这个理论就可能被彻底推翻。

而如果听到了,物理学会发生什么,我们不敢想象。

从19世纪被抛弃的“以太结”,到21世纪连接暗物质、中微子和反物质起源的“宇宙结”。科学,就是这样在否定与复活中螺旋上升。

我们是否是绳结的后代?答案,或许正隐藏在时空的涟漪之中,等待被聆听。

参考文献:

Eto, M., Hamada, Y., & Nitta, M. (2025). Tying Knots in Particle Physics. Physical Review Letters, 135(9), 091603. DOI: 10.1103/s3vd-brsn



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