反物质消失，暗物质登场，神秘事件造就了现在的宇宙

对称性被打破，暗物质或许是戈德斯通玻色子？宇宙大爆炸后突发神秘事件

新研究表明，早期宇宙中的神秘一击可能导致了暗物质的产生。

（图源：马克·加里克/盖蒂图片社-科学图片库 ）

关于宇宙有许多挥之不去的谜题，其中一个就是万物为何存在。

这是因为在现今的宇宙中，物质和其反物质对应物在形成时应该数量相等，然后这两种带相反电荷的物质在接触时会互相湮灭。

因此，宇宙中的所有物质都应该一形成就立刻消失，即物质与反物质对应物接触时，就立刻自我抵消。

但现实是湮灭并没有发生。

有新的研究提出假设：在宇宙的早期阶段，曾经有一次神秘事件使物质的数量多于反物质，最终带来了今天的不平衡局面。

这种不平衡也可能导致了暗物质的产生。

暗物质能够吸引一切东西，并不跟光发生反应。

是意外还是宇宙计划好的？

虽然我们不清楚暗物质到底是什么，但可以肯定它是存在的。

宇宙中80%的物质都是暗物质，其数量比例远超过我们所能看见的恒星、星系、尘埃和气体。

虽然暗物质在宇宙中是重量级的存在，但奇怪的是，它并不占主导地位。

在物理学中，两种力相互作用时，更强的一方最终都会占主导。

除非这个过程中还有其他物理学起作用，否则两个相互作用的力很少达到平衡的状态。

举个例子，如果一颗巨星内部有引力和电磁力在相互作用，最终都会是引力胜出并使得恒星坍塌。

因此，暗物质占宇宙质量的80%而非99.99999%、普通物质占20%而非零这件事着实让科学家们感到奇怪。

如果平分彩票奖金用80/20这个比例，显然不是对半的，但对天文学家而言，这个比例在我们的宇宙中却代表着两者数量相等。

图解：宇宙中暗物质与可见物质的比例图 图源：NASA（美国航空航天局）

而让问题更棘手的是，据我们所知，普通物质的产生和暗物质的产生两者毫无关联。

我们还无法得知暗物质在早期宇宙是如何出现的，但不管真相如何，它肯定都不属于我们已知的物理学范畴。

至于普通物质，则是另外的一堆粒子。

物理学家们猜想，在最早期的宇宙（诞生第一秒时），普通物质和反物质（跟普通物质一样但带有相反电荷）处于完美平衡的状态。

虽然这个平衡后来被打破了，但它在最初确实是存在的，因为在粒子对撞机中我们看到了这种对称性，它可以复制早期宇宙的极端条件：如果存在一个能产生常规物质的高能量反应，那同样地它也能产生反物质。

然而在稍后的某个时刻（无法确定具体时间，但很可能是在宇宙诞生不到一分钟的时候），物质和反物质的平衡发生了变化，普通物质得以遍布宇宙，把反物质打压得销声匿迹。

因此，其一是发生了一件打破对称性的事件，导致普通物质打赢了反物质。

其二，则是发生了另一件极其神秘的事件，导致暗物质成为宇宙中体量大却又不占主导的存在。

新研究提出，也许这两个事件是有关联的，暗物质的诞生与普通物质战胜反物质有关。

图解：物质和反物质互相湮灭情景设想图 图源：NASA/CXC/M.Weiss（美国航空航天局/钱德拉X射线中心/M.韦斯）

寻找戈德斯通玻色子

上述这项研究在2020年12月29日被在线发布于预印本文献库arXiv，发布时尚未进行同行评审。

研究人员是依据重子数对称性得出结论的。

重子是由夸克（如质子和中子）组成的粒子。

重子对称性指在一个相互作用中，进入和退出的重子数必须相等（重子可以切换成不同的粒子，但必须保持总数一致）。

反夸克的相互作用中，也具有同样地对称性。

在现今的宇宙，这种对称性适用于我们的所有实验，但在早期的宇宙中，它却被打破了。

这也是现在宇宙中物质多于反物质的原因。

在物理学中，每当一个连续对称性被自发破缺，一种名为戈德斯通玻色子的新粒子就会出现并强化打破。

比如，在现代宇宙中，π介子就是核力对称性被打破后出现的戈德斯通玻色子。

研究提出，暗物质可能就是一种戈德斯通玻色子，与早期宇宙的重子数对称性被打破有着千丝万缕的联系。

谜团重重待深究

提出这一想法的研究人员称其为一‘击’事件。

在目前的实验中，重子数对称性从未被打破过，但早期宇宙中肯定发生某些激烈的事件。

这个事件虽然短暂却十分剧烈，消灭了几乎全部反物质。

不管导致事件发生的外力是什么，重子数的平衡终究被打破，一并带来了新的戈德斯通玻色子。

由此，研究人员猜想，在那次奇异的事件中，暗物质粒子充满了宇宙。

但随着打破对称性的条件退去，宇宙又回归了常态。

然而为时已晚，在恢复对称性的宇宙中，暗物质和普通物质都依然存在、相安无事。

也就是说，宇宙在度过了剧烈变化的第一分钟后，才刚恢复正常，暗物质就被降级到看不见的地方，再也没能跟普通物质相互作用。

图解：哈勃太空望远镜拍摄的星系团MACS J1206NASA。

在暗物质的引力下光线发生了扭曲，后方遥远星系的外形也因此产生扭曲变形。

（美国航空航天局）

研究称，普通物质和暗物质的数量大致相等是因为它们两者间有关联。

新模型虽然并未预测暗物质和普通物质的精准比例是80/20，但它表明两者数量相等的原因是它们都源自于那个神秘的事件。

这是一个非常有趣的猜测，但仍然没有解决对称性是如何被打破的谜题。

科学家们还需要继续深入研究。

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。

人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。

可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。

而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。

在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项，而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。

宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。

若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀，并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图；右图外圈显示宇宙微波背景辐射，扇区分别展示视线速度（红/蓝）、物质密度（灰）和引力势（绿/蓝）。

图片来源： 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为，极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度，留下微小的密度差异；随后，引力把这些差异不断放大，最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而，暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布，有望找到更多线索，探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见，却凭借引力主导星系形成，并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中，暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”，团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测，早期宇宙的密度涨落服从高斯分布，也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差，即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差，就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程，从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而，这类信号极其微弱，还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积，统计不确定性难以完全消除。

因此，探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成，目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目，包括美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务，两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证，将共同描绘出更为精细的宇宙图景，推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源：科技日报