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　　宇宙是如何從一場(chǎng)徹底的湮滅中幸存的?

　　這并不是科幻小說(shuō)或大片電影中的開場(chǎng)白，而是當(dāng)今物理學(xué)家想要解決的最大的難題之一。根據(jù)現(xiàn)代宇宙學(xué)中的大爆炸理論，早期宇宙在創(chuàng)造物質(zhì)的同時(shí)也產(chǎn)生了等量的反物質(zhì)。如果這種狀況一直維持下去，那么最終迎來(lái)的結(jié)局將會(huì)是：物質(zhì)和反物質(zhì)相遇并湮滅，宇宙中只剩下能量。

　　但事實(shí)顯然不是這樣的，在宇宙漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中，星系、恒星、行星，甚至是生命逐漸誕生，才有了今天我們所看到的由物質(zhì)構(gòu)成的世界。

　　要從一場(chǎng)徹底的湮滅中逃生，宇宙一定將少量的反物質(zhì)變成了物質(zhì)，造成了它們之間的不平衡。這種不平衡只需向物質(zhì)傾斜十億分之一即可。但這種不平衡是何時(shí)產(chǎn)生的，又是如何產(chǎn)生的?這些問(wèn)題至今仍然困惑著所有人。

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　　物質(zhì)和反物質(zhì)看起來(lái)完全一樣，除了擁有相反的電荷。如果有一個(gè)由反物質(zhì)制作的冰淇淋甜筒，那么在你碰到它之前，它看起來(lái)和平時(shí)的甜筒沒什么兩樣。但我們知道，當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)，就會(huì)湮滅，化作一團(tuán)能量。這意味著當(dāng)你拿起反物質(zhì)甜筒的時(shí)候，你身體的一部分會(huì)與甜筒湮滅，釋放出比原子彈還要大得多的能量。

　　由于物質(zhì)和反物質(zhì)具有相反的電荷，因此它們不可能相互轉(zhuǎn)化，除非它們是電中性的。在基本粒子中，中微子是我們所知道的唯一是電中性的物質(zhì)粒子，這意味著它們或許可以完成這項(xiàng)任務(wù)。

　　中微子極其微小，它們幾乎不與物質(zhì)相互作用，因此研究它們是非常困難的一件事情。目前，一些耗資數(shù)十億美元的大型實(shí)驗(yàn)(比如 DUNE 和 Hyper-Kamiokane)都在競(jìng)相研究中微子和反中微子之間的行為是否存在差異。

　　一個(gè)已經(jīng)獲得很多支持的模型告訴我們，早期的宇宙經(jīng)歷了一次相變，使得中微子可以重組物質(zhì)和反物質(zhì)。這個(gè)模型被稱為蹺蹺板機(jī)制，宇宙學(xué)家期待它能夠解決兩個(gè)大問(wèn)題：物質(zhì)和反物質(zhì)的不對(duì)稱性，以及為何已知的三種中微子都如此輕。蹺蹺板機(jī)制引入了一種被稱為惰性中微子的新粒子，這種粒子的質(zhì)量比已知中微子要大的多。但是要直接驗(yàn)證蹺蹺板機(jī)制需要一臺(tái)比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)要出強(qiáng)許多數(shù)量級(jí)的粒子加速器。因此目前我們只能通過(guò)間接的方法來(lái)驗(yàn)證。

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　　液態(tài)的水煮沸變成水蒸氣，冷卻的水結(jié)成冰，都是相變的例子。物質(zhì)的行為會(huì)在特定的溫度(臨界溫度)下會(huì)發(fā)生變化。有的金屬被冷卻到極低的溫度時(shí)，會(huì)通過(guò)相變而完全失去其電阻成為超導(dǎo)體，這是可用于診斷癌癥的核磁共振成像的基礎(chǔ)，也是可以讓火車以近 500 千米每小時(shí)的速度行進(jìn)的磁懸浮技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　就像超導(dǎo)體一樣，在宇宙暴脹(早期宇宙經(jīng)歷的一次指數(shù)式膨脹)之后經(jīng)歷的相變，可能創(chuàng)造出了非常小的磁場(chǎng)管——即宇宙弦。更具體的說(shuō)，當(dāng)相變發(fā)生時(shí)，宇宙的不同部分會(huì)經(jīng)歷輕微不同的相變(我們說(shuō)相變是不“均勻”的)。在某些相變中，宇宙最終會(huì)糾纏在一起，無(wú)法完全解開。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)就是宇宙弦。

　　宇宙弦會(huì)通過(guò)擺動(dòng)來(lái)產(chǎn)生時(shí)空中的漣漪——引力波。由于宇宙弦中的能量密度非常大，它的運(yùn)動(dòng)足夠劇烈到扭曲時(shí)空，并產(chǎn)生引力波。在宇宙 138 億年的演化史中，由宇宙弦產(chǎn)生的引力波會(huì)一直穿行其中。這些引力波的波譜與先前從雙黑洞合并或雙中子星合并產(chǎn)生的引力波波譜非常不同。未來(lái)的引力波天文臺(tái)(如 LISA、BBO 或 DECIGO)都可以在幾乎所有可能的臨界溫度下探測(cè)到這些引力波。

　　近年來(lái)，引力波的發(fā)現(xiàn)為我們研究宇宙打開了一扇新的窗口。通過(guò)引力波，物理學(xué)家和天文學(xué)家可以更深入地研究宇宙的過(guò)去，因?yàn)橛钪鎸?duì)引力來(lái)說(shuō)是透明的，這使得我們可以借引力一直追溯到宇宙的起源。我們期待未來(lái)的引力波天文臺(tái)能夠揭開更多的信息，幫助我們找到新中微子的證據(jù)，并最終回答我們一直在尋找的答案：我們?yōu)楹未嬖?
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