几代人以来，物理学家都坚信物理定律是完全对称的。 直到他们不再是这样。对称性的概念简洁而有吸引力，但在我们宇宙的混乱现实下却崩溃了。 事实上，从 20 世纪 60 年代开始就有必要引入某种形式的破缺对称性来阐明为什么宇宙中的物质多于反物质——本质上解释了为什么任何东西都会存在。

佛罗里达大学的天文学家通过研究一百万万亿个星系四联体，首次发现了宇宙诞生之初必然违反对称性的证据，揭示了宇宙更喜欢某些形状而不是它们的镜像，这是一种已知的现象 作为宇称对称性破坏。 这一发现不仅强化了大爆炸理论的暴胀方面，而且还为宇宙学最大的谜团之一提供了线索：为什么物质比反物质更多？

但要确定这种存在对称性破坏背后的根源，甚至找到证据，都是不可能的。

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然而，在一篇新论文中，佛罗里达大学的天文学家发现了第一个证据，证明在创造时这种必要的对称性破坏。 佛罗里达大学的科学家研究了宇宙中多达数百万万亿个三维星系四联体，发现宇宙在某个时刻更喜欢一组形状而不是它们的镜像。

这个被称为宇称对称破坏的想法指出了宇宙历史上的一个极小的时期，当时的物理定律与今天不同，对宇宙的演化产生了巨大的影响。

这一发现具有高度的统计可信度，有两个主要后果。 首先，这种宇称不守恒只能在宇宙诞生之初的极端膨胀时期才会在未来的星系中留下印记，从而证实了宇宙起源大爆炸理论的核心组成部分。

宇称不守恒也有助于回答也许是宇宙学中最关键的问题：为什么有东西而不是空无一物？ 这是因为需要宇称不守恒来解释为什么物质比反物质更多，而反物质是星系、恒星、行星和生命以现有方式形成的必要条件。

“我一直对有关宇宙的重大问题感兴趣。 宇宙的开始是什么？ 它的演化遵循什么规则？ 为什么有东西而不是没有？” 监督这项新研究的佛罗里达大学天文学教授 Zachary Slepian 说。 “这项工作解决了这些大问题。”

Slepian 与佛罗里达大学博士后研究员、该研究的第一作者 Jiamin Hou 以及劳伦斯伯克利国家实验室物理学家 Robert Cahn 合作进行了分析。 三人最近在《皇家天文学会月刊》杂志上发表了他们的发现。 这些研究人员在最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文中首次提出了利用星系四联体寻找宇称不守恒的想法。

宇称对称性是指物理定律不应该偏爱一种形状而不是其镜像。 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是我们都熟悉的镜像，但无法在三个维度上旋转您的左手，使其看起来像您的右手，这意味着它们始终可以彼此区分。

宇称破坏意味着宇宙确实偏爱左手或右手形状。 为了发现宇宙的旋向性，斯莱皮安的实验室想象了由空间中的假想线连接的四个星系的所有可能组合。 这形成了一个称为四面体的 3D 物体，就像一个不平衡的金字塔——具有镜像的最简单的形状。 他们根据星系在这些假想形状中与最近和最远伙伴的连接方式来定义右手和左手星系四面体。

他们的方法需要分析一百万个星系中每一个的一万亿个想象的四面体，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执行大量计算。 它仍然需要大量的计算能力。 “我们拥有 HiPerGator 超级计算机的用友独特技术使我们能够使用不同的设置运行分析数千次来测试我们的结果，”他说。

分析的技术方面很难说宇宙更喜欢“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这种偏好。 他们以称为“七西格玛”的确定性确定了他们的发现，这是衡量仅凭机会获得结果的可能性有多大的指标。 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，因为在此级别出现偶然结果的几率微乎其微。 一位前 Slepian 实验室成员进行的类似分析发现了相同的普遍形状偏好，尽管由于研究设计的差异，统计可信度稍低。

尽管科学家们对宇称不守恒的信号充满信心，但潜在测量的不确定性仍然有可能解释这种不对称性。 值得庆幸的是，下一代望远镜提供的更大的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。 佛罗里达大学的斯莱皮安团队将作为暗能量光谱仪器望远镜团队的一部分，对这些新的、更可靠的数据进行分析。

这并不是第一次发现宇称不守恒，但这是宇称不守恒可能影响宇宙星系三维聚类的第一个证据。 基本力之一：弱力，也违反宇称。 但其影响范围极为有限，无法影响星系的规模。 这种银河影响需要宇称不守恒发生在大爆炸的那一刻，这个时期被称为暴胀。

斯莱皮安说：“由于宇称不守恒只能在暴胀期间铭刻在宇宙上，如果我们的发现是真的，它就为暴胀提供了确凿的证据。”

弱力的宇称不守恒也无法解释物质的丰富性。 在对称的宇宙中，大爆炸应该产生等量的物质和反物质，它们会相互湮灭，使宇宙中没有恒星和行星。 由于我们最终得到了一个主要由物质组成的宇宙，物理学家长期以来一直在寻找早期创造中不对称的一些迹象。

斯莱皮安实验室的发现还无法解释我们如何最终获得如此丰富的物质。 “如何”将需要超越标准模型的新物理学，它解释了我们当前的宇宙。 但新的结果确实强烈表明，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，以解释宇宙的镜像偏好和物质过剩。

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