物理学家认为，他们已经探测到天空中星系排列的惊人不对称性。如果得到证实，这一发现将指向大爆炸期间未知的基本定律的特征。

研究人员在四个星系的集合之间画了线，构建了被称为四面体的四面体。当他们从100万个星系的“集合”中构建出每一个可能的四面体时，他们发现朝向一个方向的四面体的数量超过了它们的镜像。

纽约哥伦比亚大学的天体物理学家奥利弗·菲尔考克斯在9月份发表在《物理评论D》上的一篇论文中首次报道了四面体及其镜像之间的不平衡。

但是有了这样一个重磅发现（而且这个发现还在审查中），专家们说谨慎是有必要的。没有明显的理由表明他们是错的，但这并不意味着没有错误。

这种假定的不平衡违反了一种叫做“宇称”的对称性，即左右等价。如果观测经得起推敲，物理学家们认为它一定反映了一种未知的、违反宇称的成分，这种成分存在于原始过程中，为我们宇宙中所有结构的发展播下了种子。

宇称曾是物理学中被珍视的对称性。但在1957年，美籍华裔物理学家吴健雄的核衰变实验揭示了我们的宇宙确实有轻微的不对称性：在导致核衰变的弱核力中，亚原子粒子的磁场方向总是与它们运动的方向相反，因此它们就像左手螺旋的螺纹一样旋转。镜像粒子感觉不到弱力。

吴的发现令人震惊。弱力的左手性具有微妙的影响，不可能在星系尺度上影响宇宙。但自从吴的发现以来，物理学家们一直在寻找宇宙与它的镜像不同的其他方式。

例如，如果某些原始的宇称破坏（宇称不守恒）在宇宙的婴儿期起作用，它可能在宇宙结构上留下了一种扭曲。

在宇宙诞生之时或接近诞生之时，一种被称为暴胀的场被认为已经渗透到宇宙中。在一个“沸腾”的介质中，暴胀粒子不断地冒起和消失。暴胀场也是排斥的，在它可能存在的短暂时间里，它会导致我们的宇宙迅速膨胀到原来的100万亿倍。所有这些暴胀场中粒子的量子涨落被抛向外，冻结在宇宙中，成为物质密度的变化。密度更大的“东西”继续在引力作用下合并，产生了我们今天看到的星系和大规模结构。

1999年，研究人员考虑过，如果在爆炸之前存在不止一个磁场会发生什么。暴胀场可能与另一个场相互作用，产生右撇子和左撇子。如果暴胀对右撇子和左撇子的处理方式不同，那么它就会优先产生偏手性的粒子。这种所谓的陈一西蒙斯（Chern-Simons coupling）耦合会使早期的量子涨落具有偏好的左手性，这将演变成星系左手和右手四面体排列的不平衡。

至于附加场可能是什么，一种可能是引力场。在这种情况下，在暴胀粒子和引力子之间会发生违反宇称的相互作用，而引力子在暴胀过程中会在引力场中突然出现。这样的相互作用会在早期宇宙的密度变化中产生左手性，从而在今天的大尺度结构中产生左手性。

2006年，布朗大学的物理学家斯蒂芬·亚历山大提出，陈-西蒙斯引力理论也有可能解决宇宙学中最大的一个谜团：为什么我们的宇宙中含有的物质比反物质多。他推测，陈-西蒙斯相互作用可能产生了相对丰富的左旋引力子，这反过来会优先产生左旋物质而不是右旋反物质。

卡恩认为，用早期宇宙中的宇称破坏来解决物质-反物质不对称之谜的可能性是“推测性的。2019年，他决定在星系中寻找宇称破坏。为了测试星系分布是否遵守或违反宇称，他和他的合作者研究四个星系的四面体排列。这是因为四面体是最简单的三维形状，只有3D对象有机会违反宇称性。要理解这一点，就看看你的手。因为手是3D的，没有办法旋转左手使它看起来像右手。相比之下，如果你在一张纸上画一只左手，然后剪出2D图像，把它翻转过来，它看起来就像右手。

2020年，卡恩提出了一种定义星系四面体排列的“左手性”的方法，以便比较天空中“左撇子”和“右撇子”的数量。首先，他们选取了一个星系，并观察了它与其他三个星系的距离。如果距离像右手螺旋一样顺时针方向增加，他们称之为右手四面体。如果沿逆时针方向，距离增加，它就是左手四面体。

为了确定宇宙作为一个整体是否具有左右性，他们必须对从100万个星系数据库中构建的所有四面体重复分析。这样的四面体有近一万亿个。但在早期研究另一个问题时开发的分解技巧让研究人员可以更全面地观察四面体的宇称性：他们不是一次构建一个四面体并确定它的宇称性，而是可以依次选取每个星系，根据它们与该星系的距离将所有其他星系分组，就像洋葱的层次一样。

然后，研究人员将结果与他们基于物理守恒定律的预期进行了比较。该团队在真实数据中发现了“7西格玛”水平的宇称不守恒，这意味着左右四面体之间的不平衡是随机概率和其他可以想象的误差来源的7倍。

研究人员说，

从技术上来说，这绝对令人震惊。这是一个非常非常非常复杂的分析。

这一令人惊讶的发现暗示了一种新的物理学，有可能回答长期存在的关于宇宙的问题。但这项工作才刚刚开始。

首先，物理学家需要证实或证伪观测结果。新的研究已经在进行中，以重复上述分析。例如，目前正在进行的暗能量光谱仪器调查已经记录了1400万个星系，当它完成时将包含超过3000万个星系。这将使我们有机会用更好的统计数据更详细地研究这个问题。

此外，如果违反宇称的信号是真实的，它可能出现在星系分布以外的数据中。例如，天空中最古老的光（一团被称为宇宙微波背景辐射的辐射，是早期宇宙遗留下来的），为我们提供了宇宙空间变化的最早快照。这种光的斑驳图案应该包含与后来形成的星系相同的违反宇称的相关性。物理学家说，在光中找到这样的信号应该是可能的。

另一个可以观察的地方是可能在膨胀过程中产生的引力波的模式，称为随机引力波背景。在时空结构中，这些螺旋状的波纹可以是右手的，也可以是左手的，在一个宇称守恒的世界中，它们所包含的两种物质的数量是相等的。因此，如果物理学家设法测量这个背景，这将是对早期宇宙中违反宇称性的一个明确的、独立的检验。

随着寻找确证证据的工作开始，理论家们将研究可能产生这一信号的模型。最近，研究人员测试了一系列违反宇称的模型，包括那些陈-西蒙斯模型。他们还不能确定哪个模型是正确的。

来源：quantamagazine