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　　宇宙是如何從一場徹底的湮滅中幸存的?

　　這并不是科幻小說或大片電影中的開場白，而是當今物理學(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，那么最終迎來的結(jié)局將會是：物質(zhì)和反物質(zhì)相遇并湮滅，宇宙中只剩下能量。

　　但事實顯然不是這樣的，在宇宙漫長的演化過程中，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產(chǎn)生的，又是如何產(chǎn)生的?這些問題至今仍然困惑著所有人。

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　　物質(zhì)和反物質(zhì)看起來完全一樣，除了擁有相反的電荷。如果有一個由反物質(zhì)制作的冰淇淋甜筒，那么在你碰到它之前，它看起來和平時的甜筒沒什么兩樣。但我們知道，當物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時，就會湮滅，化作一團能量。這意味著當你拿起反物質(zhì)甜筒的時候，你身體的一部分會與甜筒湮滅，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)十億美元的大型實驗(比如 DUNE 和 Hyper-Kamiokane)都在競相研究中微子和反中微子之間的行為是否存在差異。

　　一個已經(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)。這個模型被稱為蹺蹺板機制，宇宙學(xué)家期待它能夠解決兩個大問題：物質(zhì)和反物質(zhì)的不對稱性，以及為何已知的三種中微子都如此輕。蹺蹺板機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。但是要直接驗證蹺蹺板機制需要一臺比大型強子對撞機要出強許多數(shù)量級的粒子加速器。因此目前我們只能通過間接的方法來驗證。

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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)的行為會在特定的溫度(臨界溫度)下會發(fā)生變化。有的金屬被冷卻到極低的溫度時，會通過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 千米每小時的速度行進的磁懸浮技術(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管——即宇宙弦。更具體的說，當相變發(fā)生時，宇宙的不同部分會經(jīng)歷輕微不同的相變(我們說相變是不“均勻”的)。在某些相變中，宇宙最終會糾纏在一起，無法完全解開。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)就是宇宙弦。

　　宇宙弦會通過擺動來產(chǎn)生時空中的漣漪——引力波。由于宇宙弦中的能量密度非常大，它的運動足夠劇烈到扭曲時空，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。未來的引力波天文臺(如 LISA、BBO 或 DECIGO)都可以在幾乎所有可能的臨界溫度下探測到這些引力波。

　　近年來，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去，因為宇宙對引力來說是透明的，這使得我們可以借引力一直追溯到宇宙的起源。我們期待未來的引力波天文臺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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