物理定律并不总是对称的 这也许可以解释你为什么存在

几代人以来，物理学家确信物理定律是完全对称的。直到他们不是。

对称是一个整洁而有吸引力的想法，在我们凌乱的宇宙中分崩离析。事实上，自1960年代以来，人们就需要某种破碎的对称性来解释为什么宇宙中的物质比反物质多——也就是说，为什么存在任何物质。

但是，要确定这种存在主义对称性破坏背后的来源，甚至找到证据，都是不可能的。

然而，在发表在《皇家天文学会月刊》上的一篇新论文中，佛罗里达大学的天文学家在创造的那一刻发现了这种必要违反对称性的第一个证据。UF科学家研究了宇宙中高达数百万万亿个三维银河四胞胎，发现宇宙一度更喜欢一组形状而不是它们的镜像。

这个被称为奇偶对称性违反的想法指出了我们宇宙历史上的无穷小时期，当时物理定律与今天不同，对宇宙的演化产生了巨大的影响。

这一发现具有很高的统计置信度，有两个主要后果。首先，这种违反奇偶校验的行为只能在宇宙早期极端暴胀的时期印在未来星系上，证实了宇宙起源的大爆炸理论的核心组成部分。

奇偶校验违反也有助于回答宇宙学中最关键的问题：为什么有而不是没有?这是因为需要违反奇偶校验来解释为什么物质比反物质多，这是星系，恒星，行星和生命以它们的方式形成的基本条件。

“我一直对关于宇宙的重大问题感兴趣。宇宙的起源是什么?它的发展规则是什么?为什么有东西而不是什么都没有?“监督这项新研究的UF天文学教授Zachary Slepian说。“这项工作解决了这些大问题。

Slepian与UF博士后研究员和该研究的第一作者Jiamin Hou和Lawrence Berkeley国家实验室物理学家Robert Cahn合作进行了分析。三人于22月<>日在《皇家天文学会月刊》上发表了他们的发现。同样的研究人员首先提出了使用星系的四胞胎寻找奇偶校验违反的想法，该论文最近也发表在《物理评论快报》上。

奇偶对称性是物理定律不应该偏爱一种形状而不是其镜像的想法。科学家通常用“惯用手”的语言来描述这种特征，因为我们的左手和右手都是我们都熟悉的镜像。没有办法在三维空间中旋转你的左手，让它看起来像你的右手，这意味着它们总是可以区分的。

奇偶校验违规意味着宇宙确实偏爱左手或右手形状。为了发现宇宙的偏手性，Slepian的实验室想象了四个星系在太空中通过假想线连接的所有可能组合。这使得一个称为四面体的3D对象，就像一个不平衡的金字塔 - 具有镜像的最简单的形状。他们根据星系如何以这些假想的形状与它们最近和最远的伙伴相连来定义右手和左手星系四面体。

他们的方法需要为一百万个星系中的每一个分析一万亿个假想的四面体，这是一个令人难以置信的组合数量。“最终我们意识到我们需要新的数学，”斯莱皮安说。

因此，Slepian的团队开发了复杂的数学公式，可以在合理的时间内进行大量的计算。它仍然需要相当大的计算能力。“UF的独特技术，我们在这里拥有HiPerGator超级计算机，使我们能够使用不同的设置运行数千次分析来测试我们的结果，”他说。

分析的技术方面使得很难说宇宙更喜欢“右手”还是“左手”形状，但科学家们看到了明确的证据表明宇宙确实有偏好。他们以一定程度的确定性建立了他们的发现，称为七西格玛，这是仅凭偶然性来衡量实现结果的可能性的指标。在物理学中，西格玛值为 5 或更高的结果通常被认为是可靠的，因为在这个水平上获得机会结果的几率微乎其微。由前Slepian实验室成员进行的类似分析确定了相同的通用形状偏好，尽管由于研究设计的差异，统计置信度略低。

尽管科学家们对这种违反奇偶校验的信号充满信心，但潜在测量的不确定性仍有可能解释这种不对称性。值得庆幸的是，来自下一代望远镜的更大星系样本可以提供足够的数据，在短短几年内消除这些不确定性。Slepian在UF的小组将作为暗能量光谱仪器望远镜团队的一部分，对这个新的，更强大的数据进行分析。

这不是第一次发现奇偶校验违规，但它是可能影响宇宙中星系三维聚类的奇偶校验违规的第一个证据。基本力量之一，弱力，也违反了平价。但它的范围极其有限，无法影响星系的规模。这种银河系的影响要求在大爆炸的那一刻发生违反平价，这一时期被称为通货膨胀。

“由于平价违规只能在暴胀期间印在宇宙上，如果我们发现的是真的，它为暴胀提供了确凿的证据，”斯莱皮安说。

弱力的平价违反也不能解释物质的丰度。在一个对称的宇宙中，大爆炸应该产生等量的物质和反物质，它们会相互湮灭，使宇宙没有恒星和行星。由于我们最终得到的宇宙显然主要由物质组成，物理学家长期以来一直在早期创造中寻找一些不对称的迹象。

Slepian实验室的发现还不能解释我们是如何获得这种关键丰富的物质的。“如何”将需要超越标准模型的新物理学，这解释了我们当前的宇宙。但新的结果确实强烈表明，在大爆炸的最初时刻存在不对称性。

现在，科学家们正在竞相提出一种理论，可以解释宇宙的镜像偏好和物质的过剩。