被遺忘的假說，或許解釋了萬物的存在

  從數學到物理中的紐結 

在日常生活中，紐結是很常見的。同時，紐結的概念也廣泛出現在多個科學領域。在數學上，紐結被定義為嵌入三維空間的閉合曲線。

1867年，開爾文把原子想像成以太中的紐結。不過，這一假說很快被推翻——原子被證明是完全不同的存在。但是，它卻推動了紐結理論的建立，並促進了紐結概念在諸多物理學領域的應用。

紐結最重要的特徵是其拓撲穩定性——如果不切斷或讓弦交叉，紐結就無法解開，因此它們常見於各種持久存在的物理現象中。而一項於近期發表在《物理評論快報》的研究表明，紐結或許暗藏着揭示宇宙存在之謎的鑰匙。

研究團隊首次證實，紐結可以在一個現實可行的粒子物理框架中自然出現。這一結果暗示，在早期宇宙中或許存在過一個「紐結主導期」——在這一時期，宇宙的主要成分是紐結。這個設想可以通過引力波觀測來加以驗證。而這一時代的終結，源自於紐結通過量子隧穿發生坍縮，且這一過程會導致一個物質宇宙的誕生。

模型預測，宇宙早期曾出現一個短暫的「紐結主導期」，當時這些糾纏的能量場佔據主導地位。該情景有望通過引力波信號加以檢驗。（圖/muneto nitta/hiroshima university）

  失蹤的反物質  

這次的研究觸及了物理學最根本的問題之一：為什麼我們的宇宙由物質而非反物質構成。

按照大爆炸理論，宇宙初始應該產生等量的物質與反物質——每個粒子都會與其對應的反物質粒子湮滅，只留下輻射。然而今天，我們今天所見到的宇宙，幾乎完全由物質組成。

計算顯示，從原子到星系的一切之所以存在，是因為在每十億個物質-反物質對中，僅有一個額外的物質粒子倖存了下來。

儘管粒子物理學的標準模型已經取得了巨大成功，它卻無法解釋這種差異。因此，解釋這一被稱為重子生成的微小物質過剩，是當代物理學最艱難的謎題之一。

  答案藏在對稱性中  

在新的研究中，物理學家提出了一個新思路：他們認為，答案可能就隱藏在我們早已熟知的兩種對稱性中：通過將重子數減輕子數（b–l）規範對稱性與peccei–quinn（pq）對稱性相結合，研究團隊發現，紐結可以在早期宇宙中自然形成，並引發物質的微小過剩。

這是兩種早已經過長期研究的標準模型的擴展：

• pq對稱性能解決強cp問題——即為什麼實驗觀測不到理論預測的中子微小電偶極矩；並在此過程中，引入了軸子——目前的一種主要的暗物質候選粒子。

• b–l對稱性則解釋了常被稱為「幽靈粒子」的中微子為何擁有質量。

pq對稱性保持為全局對稱，而不將其提升為規範對稱性，是為了保留解決強cp問題所需的軸子機制。在物理學中，將對稱性「提升為規範對稱性」意味着允許它在時空的每一點上獨立發揮作用。但這種局域自由是有代價的，它需要引入相應的規範玻色（載力粒子）以維持理論自洽。

而將b–l對稱性提升為規範對稱性，不僅必然引入重右手中微子（確保理論無規範異常並支持主流重子生成機制），還引入類似超導的行為，為宇宙最早的紐結提供了「磁性骨架」。

  宇宙紐結之舞  

在大爆炸後，隨着宇宙逐漸冷卻，對稱性在一系列相變中破缺。就像冰凍結得不均勻會留下裂痕一樣，這些相變或許也產生了線狀的拓撲缺陷——宇宙弦，這種假想的時空裂縫被許多宇宙學家認為至今或仍潛伏宇宙之中。儘管它們比質子還細，但一英寸長的弦就可能比一座山還重。隨着宇宙不斷膨脹，這些弦被拉伸、扭動並相互纏繞，形成一張巨大的網絡，攜帶着早期宇宙的原初烙印。

b–l對稱性的破缺會生成磁通管弦（局域弦），而pq對稱性的破缺則形成無磁通的超流體渦旋（全局弦）。正是這種差異，使它們能夠彼此兼容。當這兩種類型的弦連接在一起時，它們形成了一種穩定的「紐結孤子」。

紐結孤子數值模擬得到的三維結構圖。（圖/muneto nitta/hiroshima university）

當輻射的能量隨時空膨脹而不斷衰減時，這些紐結卻表現得像物質一樣，能量密度下降得要慢得多。它們很快佔據主導地位，開啟了一個以紐結主導的時期——宇宙的能量密度不再是輻射，而是這些紐結孤子。

不過，這段時期並未維持太久。紐結最終通過量子隧穿（粒子彷彿可以無視能量壁壘，有概率直接穿過去）這種幽靈般的過程解體。紐結的坍縮會產生大量重右手中微子，這是其內部包含的b–l對稱性所帶來的自然結果。

隨後，這些重粒子進一步衰變成更輕、更穩定的粒子，並在衰變過程中稍稍偏向物質，從而造就了我們如今所處的這個以物質為主的宇宙。

對此，研究人員總結道：「簡單來說，紐結在坍縮過程中會噴射出大量粒子，包括右手中微子、標量玻色子和規範玻色子，彷彿一場粒子陣雨。其中右手中微子尤其關鍵，因為它們的衰變會自然地產生物質和反物質的不對稱性。這些重中微子會進一步衰變成更輕的粒子，例如電子和光子，觸發二次級聯過程，並由此重新加熱宇宙……從這個意義上講，右手中微子可以看作是今天宇宙中所有物質的『父母』——包括我們自身；而那些紐結，則可被視為我們的『祖父母』。」

  可檢驗的假說  

當研究人員將模型中的一些關鍵的參數——紐結產生右手中微子的效率、中微子的質量，以及它們衰變後宇宙的再加熱溫度——一併代入計算後，今天觀測到的物質–反物質不對稱便自然而然從方程中湧現出來。

當他們將重右手中微子的質量取為約10¹²gev，並假設紐結會將大部分能量用於生成這些粒子時，模型計算所得的再加熱溫度恰好約為100gev——而這正是宇宙「製造物質的不對稱性」的最後窗口。如果再冷一些，能夠把中微子不平衡轉化為物質過剩的電弱反應便會徹底停止，從而無法形成如今的物質宇宙。

更重要的是，這項研究還能通過未來對宇宙隨機引力波背景的探測加以檢驗。雖然開爾文當初提出的「紐結構成原子」假說早已被推翻，但如今的研究顯示，紐結或許在物質的起源中扮演了核心角色。