現(xiàn)有的宇宙大爆炸理論認為，我們身處的宇宙源于138億年前的一次大爆炸，但這一理論也認為，大爆炸時產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，而正反物質(zhì)相遇時會彼此湮滅，使一切煙消云散。

但宇宙間的萬事萬物又的確存在，這中間發(fā)生了什么曲折離奇的故事呢？美國、日本和加拿大科學(xué)家提出的一項新理論認為，早期宇宙發(fā)生的相變使中微子衰變成更多粒子(數(shù)量比反粒子多)，致使正反物質(zhì)的數(shù)量出現(xiàn)偏差。這一相變也會產(chǎn)生“宇宙弦”，而宇宙弦會產(chǎn)生引力波，探測到這些引力波，或可揭示正反物質(zhì)不對稱之謎。

對此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文系教授蔡一夫?qū)萍既請笥浾哒f：“即便觀測到宇宙弦產(chǎn)生的引力波，可能還需很多條件才能進一步證實上述觀點。不過，這提供了一種解決正反物質(zhì)不對稱之謎的新思路。”

中微子“挺身而出”

現(xiàn)代宇宙學(xué)大爆炸理論認為，大爆炸之初，宇宙中產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。如果“劇情”一直這樣發(fā)展下去，那么，物質(zhì)和反物質(zhì)最終會“狹路相逢”，彼此湮滅。

但實際上，現(xiàn)在我們身處的宇宙中滿天繁星，充滿了各種物質(zhì)，這就與上述理論產(chǎn)生了矛盾。因此，為使宇宙得以存在，必須要有少量反物質(zhì)轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，使正反物質(zhì)數(shù)量不平衡。科學(xué)家認為，物質(zhì)的數(shù)量只需比反物質(zhì)多十億分之一就可以讓宇宙存在。

但正反物質(zhì)之間這種不平衡是何時以及如何出現(xiàn)的？目前仍是未解之謎，這也是宇宙間最大的謎團之一。美國加州大學(xué)伯克利分校博士后研究員杰夫·德羅說：“這個問題很難回答。”

鑒于物質(zhì)和反物質(zhì)電荷相反，因此除非它們呈電中性，否則它們不會相互轉(zhuǎn)化。中微子是我們迄今已知唯一呈電中性的物質(zhì)粒子，科學(xué)家對它寄予厚望，認為它是完成這一神圣使命的“不二人選”。

目前已知存在3種中微子：電子中微子、繆子中微子和陶子中微子。但有科學(xué)家提出，可能存在第四種中微子：惰性中微子。

還有些科學(xué)家認為，宇宙暴脹后經(jīng)歷了一個相變，使早期宇宙中產(chǎn)生的惰性中微子衰變出更多粒子(數(shù)量比反粒子多)，讓物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量得以“重新洗牌”。

最新研究合作者、加拿大粒子物理與原子核物理實驗室(TRIUMF)博士后格雷厄姆·懷特表示：“當(dāng)宇宙的溫度為今天宇宙中最熱地方溫度的1012倍—1024倍時，中微子的‘行為舉止’或許可以確保宇宙存在。”

引力波“曲線救國”

那么，如何探測到這些惰性中微子呢？

研究人員表示，現(xiàn)在科學(xué)家無法直接觀測到惰性中微子，因為通過實驗制造出惰性中微子，需要一個比大型強子對撞機強大許多的粒子加速器，所以只能通過間接方法，探測宇宙弦產(chǎn)生的引力波或是一種“曲線救國”之法。

論文合著者、日本東京大學(xué)卡夫里宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所首席研究員村山瞳說：“早期宇宙的這次相變可能創(chuàng)造出了宇宙弦，這些宇宙弦實質(zhì)上是時空的拓撲缺陷。”

蔡一夫?qū)萍既請笥浾呓忉屨f：“相變在我們?nèi)粘Ｉ钪斜缺冉允牵缢畠龀杀㈣F磁體變成順磁體等。我們的宇宙所經(jīng)歷的歷史就是一個不斷發(fā)生相變的熱膨脹歷史，在這個過程中有基本粒子的產(chǎn)生，基本粒子凝合成元素，元素最后結(jié)合出我們見到的熟悉的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。”

蔡一夫進一步指出：“相變過程伴隨著能量釋放，宇宙弦就是宇宙經(jīng)歷相變時釋放能量形成的一根根與當(dāng)時的宇宙尺度相當(dāng)?shù)睦K子一樣的能量結(jié)構(gòu)。”

德羅和村山瞳等人認為，隨著這些宇宙弦不斷演化，會產(chǎn)生引力波，且產(chǎn)生引力波的頻譜與黑洞并和等天體物理源產(chǎn)生引力波的頻譜截然不同。未來的引力波觀測臺，例如即將于2020年中期啟用的“平方公里陣列”(SKA)、擬于2034年發(fā)射的歐洲航天局的“空間天線激光干涉儀”(LISA)、日本宇宙探索局的分赫茲干涉引力波天文臺(DECIGO)等，或許可以探測到這些引力波。

研究人員表示，找到這些宇宙弦產(chǎn)生的引力波還有其他用途，例如找到宇宙弦產(chǎn)生的高能中微子，更精確確定已知中微子的質(zhì)量等。

對此，蔡一夫認為：“宇宙弦產(chǎn)生引力波并不意外，只是我們還沒有幸運地發(fā)現(xiàn)其‘倩影’。而且，即便我們探測到宇宙弦，宇宙弦的產(chǎn)生機制也并非唯一，還需要確認背后的相變過程才能證實上述觀點。”

另外，蔡一夫強調(diào)說：“宇宙弦如果帶電的話，可以利用多信使天文檢測手段，如快速射電暴的觀測來檢驗這些超導(dǎo)的宇宙線，從而更立體、更清晰地分辨宇宙相變的‘蛛絲馬跡’。”