宇宙结：一个新的起源故事

2025年12月7日，一个理论物理学家团队在《Physical Review Letters》上发表了一篇论文，认为被称为“宇宙纽结（cosmic knots）”的纽结场构型可能在宇宙最初时刻占据了核心舞台。通过解开，它们种下了物质略多于反物质的微小过剩，从而使恒星、行星和生命成为可能。

该提案将标准模型的两个长期研究的扩展——规范化重子数减轻子数 (B‑L) 对称性和 Peccei–Quinn (PQ) 对称性——结合在一起，产生了稳定的拓扑纽结。这些物体的行为与通常的辐射非常不同，在坍缩并通过量子隧穿产生其衰变有利于物质的重右手里微子之前，它们可能曾在年轻的宇宙中占据短时间的支配地位。至关重要的是，该模型预测了原初引力波背景中一个特征性的偏移，未来的天文台可能会探测到。

粒子物理学中的纽结对称性

标准模型留下了三个未解之谜：为什么中微子有质量，为什么强核力保持着一种特定的对称性（即所谓的强 CP 问题），以及为什么可观测宇宙包含的物质远多于反物质。这项新工作结合了物理学家几十年来一直考虑的两种对称性思想，在一个连贯的框架中解决这些问题。

一个要素是 Peccei–Quinn 对称性，它的引入是为了解释为什么实验发现强相互作用中基本上没有 CP 破坏；它的低能信号是轴子（axion），这是一种被广泛讨论的暗物质候选者。另一个是规范化 B‑L 对称性，它为重右手里微子提供了一个自然的归宿，并通过跷跷板机制（seesaw mechanisms）使中微子质量变得可以理解。当这两种对称性随着宇宙冷却而破缺时，它们会产生不同种类的缺陷：PQ 破缺产生超流涡旋，而规范化 B‑L 破缺产生像磁弦一样的通量管。

从弦到纽结主导时代

拓扑缺陷在宇宙学中被称为宇宙弦（cosmic strings）——这是对称性破缺后留下的极薄但密度巨大的能量管。在结合了 PQ+B‑L 的设定中，大爆炸后不久的相变期间形成了一个此类缺陷网。与能量密度随着宇宙膨胀而迅速下降的辐射不同，束缚在巨大的非相对论性物体中的能量下降得较慢。

论文认为，在合理的参数范围内，纽结种群可能会在有限的时期内占据宇宙能量收支的主导地位。这个“纽结时代”并非永恒：量子隧穿允许纽结解开。当它们解开时，储存的能量会剧烈释放成粒子——包括作为规范化 B‑L 部门内置特征的重右手里微子。

纽结如何产生比反物质更多的物质

重子生成（Baryogenesis）——即观测到的物质相对于反物质的微小过剩的产生——需要三个要素：违反重子数的物理过程、电荷-宇称（CP）对称性破坏以及偏离热平衡。纽结坍缩通过以非热方式产生重粒子爆发，提供了最后一个条件。随后重右手里微子衰变，CP 破坏过程使衰变稍微倾向于产生物质而非反物质。在宇宙历史上，这种微小的偏差——大约每十亿次湮灭产生一个额外的物质粒子——就是产生我们观测到的物质宇宙所需的全部。

引力波作为检验

这一设想的一个吸引人之处在于，纽结主导阶段和宏观场构型的剧烈坍缩应该会在时空本身留下印记：具有特定谱形状和特征频率尺度的引力波随机背景。由于纽结在衰变前表现得像物质，它们改变了引力波背景随宇宙膨胀而红移的方式。根据作者的估计，在 100 GeV 附近的再加热会将峰值推向比许多其他早期宇宙源更高的频率。

这一偏移为观测检验开辟了道路。空间探测器和下一代地面探测器在互补的频段运行：LISA 将探测毫赫兹到分毫赫兹频率，DECIGO 瞄准分赫兹频率，而 Cosmic Explorer 则在更高频率提升灵敏度。探测到预测的光谱特征，或者排除它们，将直接约束纽结时代是否曾经发生。

模型优点与待解问题

还有一些现象学上的纽结需要解开。在模型中，PQ 对称性被视为一种全局对称性，以保留解决强 CP 问题的轴子方案；全局对称性在量子引力中是微妙的，可能会被普朗克尺度效应破坏。此外，确保轴子物理、重中微子质量和规范相互作用都符合观测约束（包括对额外粒子和力的限制）限制了可行的参数空间。作者明确要求进行更详细的数值工作，并将模拟与探测器可能寻找的引力波特征联系起来。

为什么这很重要

如果得到证实，纽结图景将为三个深层谜团——中微子质量、强 CP 问题和重子生成——提供统一的解释，同时为实验学家提供引力波天空中的观测目标。它以现代场论的形式复兴了十九世纪关于纽结结构的直觉，并将宇宙历史的一个隐喻性的“祖父母”阶段重新安置在一个原则上可以被探测的时刻。

对于宇宙学家和粒子物理学家来说，接下来的步骤很明确：在这个结合对称框架内推动拓扑缺陷网络的数值模拟，完善预测的引力波频谱，并将模型的粒子内容纳入现有的对撞机和天体物理约束中。对于实验界来说，这一结果为跨频段追求多样化的引力波天文台计划增加了另一个理由。

该提案尚未推翻现有范式，但它为解释为什么任何事物存在提供了一条可测试的、在理智上经济的途径——并在此过程中，将引力波天文学指向了传统上被认为是粒子物理学专属领域的问题。

来源

• Physical Review Letters (研究论文: "Tying Knots in Particle Physics")
• International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI‑SKCM2), Hiroshima University
• Deutsches Elektronen‑Synchrotron (DESY)
• Keio University
• Yamagata University