新研究Q球能解释宇宙物质反物质的不对称之谜

　　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。
　　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（Qball）。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》（PhysicalReviewLetters）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。
　　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。
　　当然，这并不是解释宇宙物质反物质不对称性的唯一理论。格雷厄姆怀特对此表示理解，他指出，我们正处在一个令人兴奋的时间节点，有机会去证明其中可能正确的理论。我们将在21世纪30年代启用一大批仪器，希望能探测到引力波，怀特说，如果我们能真的探测到它们，那将非常令人兴奋。
　　不过，即使探测器没能发现这些Q球产生的引力波，也可能是个好消息，因为这意味着一些更简单的理论可能是正确的而且更容易验证。所以从某种程度上说，这是一次不会失败的尝试，怀特说道。