幾代人以來，物理學家都堅信物理定律是完全對稱的。直到他們不再是這樣。對稱性的概念簡潔而有吸引力，但在我們宇宙的混亂現實下卻崩潰了。事實上，從20 世紀60 年代開始就有必要引入某種形式的破缺對稱性來闡明為什麼宇宙中的物質多於反物質——本質上解釋了為什麼任何東西都會存在。

佛羅里達大學的天文學家通過研究一百萬萬億個星系四聯體，首次發現了宇宙誕生之初必然違反對稱性的證據，揭示了宇宙更喜歡某些形狀而不是它們的鏡像，這是一種已知的現象 作為宇稱對稱性破壞。 這一發現不僅強化了大爆炸理論的暴脹方面，而且還為宇宙學最大的謎團之一提供了線索：為什麼物質比反物質更多？

但要確定這種存在對稱性破壞背後的根源，甚至找到證據，都是不可能的。

然而，在一篇新論文中，佛羅里達大學的天文學家發現了第一個證據，證明在創造時這種必要的對稱性破壞。佛羅里達大學的科學家研究了宇宙中多達數百萬萬億個三維星系四聯體，發現宇宙在某個時刻更喜歡一組形狀而不是它們的鏡像。

這個被稱為宇稱對稱破壞的想法指出了宇宙歷史上的一個極小的時期，當時的物理定律與今天不同，對宇宙的演化產生了巨大的影響。

這一發現具有高度的統計可信度，有兩個主要後果。首先，這種宇稱不守恆只能在宇宙誕生之初的極端膨脹時期才會在未來的星系中留下印記，從而證實了宇宙起源大爆炸理論的核心組成部分。

宇稱不守恆也有助於回答也許是宇宙學中最關鍵的問題：為什麼有東西而不是空無一物？這是因為需要宇稱不守恆來解釋為什麼物質比反物質更多，而反物質是星系、恆星、行星和生命以現有方式形成的必要條件。

“我一直對有關宇宙的重大問題感興趣。 宇宙的開始是什麼？ 它的演化遵循什麼規則？ 為什麼有東西而不是沒有？” 監督這項新研究的佛羅里達大學天文學教授Zachary Slepian 說。“這項工作解決了這些大問題。”

Slepian 與佛羅里達大學博士後研究員、該研究的第一作者Jiamin Hou 以及勞倫斯伯克利國家實驗室物理學家Robert Cahn 合作進行了分析。三人最近在《皇家天文學會月刊》雜誌上發表了他們的發現。這些研究人員在最近發表在《物理評論快報》上的一篇論文中首次提出了利用星系四聯體尋找宇稱不守恆的想法。

宇稱對稱性是指物理定律不應該偏愛一種形狀而不是其鏡像。科學家通常用“慣用手”的語言來描述這種特徵，因為我們的左手和右手是我們都熟悉的鏡像，但無法在三個維度上旋轉您的左手，使其看起來像您的右手，這意味著它們始終可以彼此區分。

宇稱破壞意味著宇宙確實偏愛左手或右手形狀。為了發現宇宙的旋向性，斯萊皮安的實驗室想像了由空間中的假想線連接的四個星系的所有可能組合。這形成了一個稱為四面體的3D 物體，就像一個不平衡的金字塔——具有鏡像的最簡單的形狀。他們根據星系在這些假想形狀中與最近和最遠夥伴的連接方式來定義右手和左手星系四面體。

他們的方法需要分析一百萬個星系中每一個的一萬億個想像的四面體，這是一個令人難以置信的組合數量。“最終我們意識到我們需要新的數學，”斯萊皮安說。

因此，Slepian 的團隊開發了複雜的數學公式，可以在合理的時間內執行大量計算。它仍然需要大量的計算能力。“我們擁有HiPerGator 超級計算機的用友獨特技術使我們能夠使用不同的設置運行分析數千次來測試我們的結果，”他說。

分析的技術方面很難說宇宙更喜歡“右手”還是“左手”形狀，但科學家們看到了明確的證據表明宇宙確實有這種偏好。他們以稱為“七西格瑪”的確定性確定了他們的發現，這是衡量僅憑機會獲得結果的可能性有多大的指標。在物理學中，西格瑪值為5 或更高的結果通常被認為是可靠的，因為在此級別出現偶然結果的機率微乎其微。一位前Slepian 實驗室成員進行的類似分析發現了相同的普遍形狀偏好，儘管由於研究設計的差異，統計可信度稍低。

儘管科學家們對宇稱不守恆的信號充滿信心，但潛在測量的不確定性仍然有可能解釋這種不對稱性。值得慶幸的是，下一代望遠鏡提供的更大的星系樣本可以提供足夠的數據，在短短幾年內消除這些不確定性。佛羅里達大學的斯萊皮安團隊將作為暗能量光譜儀器望遠鏡團隊的一部分，對這些新的、更可靠的數據進行分析。

這並不是第一次發現宇稱不守恆，但這是宇稱不守恆可能影響宇宙星系三維聚類的第一個證據。基本力之一：弱力，也違反宇稱。但其影響範圍極為有限，無法影響星系的規模。這種銀河影響需要宇稱不守恆發生在大爆炸的那一刻，這個時期被稱為暴脹。

斯萊皮安說：“由於宇稱不守恆只能在暴脹期間銘刻在宇宙上，如果我們的發現是真的，它就為暴脹提供了確鑿的證據。”

弱力的宇稱不守恆也無法解釋物質的豐富性。在對稱的宇宙中，大爆炸應該產生等量的物質和反物質，它們會相互湮滅，使宇宙中沒有恆星和行星。由於我們最終得到了一個主要由物質組成的宇宙，物理學家長期以來一直在尋找早期創造中不對稱的一些跡象。

斯萊皮安實驗室的發現還無法解釋我們如何最終獲得如此豐富的物質。“如何”將需要超越標準模型的新物理學，它解釋了我們當前的宇宙。但新的結果確實強烈表明，大爆炸的最初時刻存在不對稱性。

現在，科學家們正在競相提出一種理論，以解釋宇宙的鏡像偏好和物質過剩。