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轴子宇宙:巨大无垠的“弦网络”可能铺满整个宇宙

科学探索 2020-01-13 12:44:43

来源:新浪科技   责任编辑:李琦

导语

据国外媒体报道,弦理论有一项很古怪的推测,认为宇宙中充斥着成百上千种几乎隐形的粒子,并且在很久很久之前,这些粒子曾经组成过一张横跨整个宇宙的弦网络。

  尽管还未做到尽善尽美,但弦理论是目前最接近真相的“万物理论”。刚才所说的这些假想粒子名叫“轴子”,假如能证实它们的存在,就意味着我们生活在一个广阔的“轴子宇宙”中。

  该理论最出色的地方在于,它并非物理学家的纸上谈兵、无法通过检验来证实。相反,利用目前正在搭建的微波望远镜,我们也许在不久的将来就能探测到这张巨大无垠的弦网络。

  而如果证实了轴子宇宙的存在,我们便朝最终揭开万物之谜迈进了一大步。

  弦的“交响乐”

  接下来,让我们谈谈怎样才能做到这一点。首先,我们需要进一步了解轴子。轴子由物理学家、诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)于1978年命名。之所以起这个名字,是因为根据物理学家推测,该粒子源自一种特定类型的对称性破缺。

  有一种对称名叫CP对称,认为如果将物质与反物质的坐标互换,两者的表现应当完全相同。但这种对称性似乎无法与强核力理论自然吻合。要解开这个谜团,可以引入宇宙中的另一种对称性,从而“纠正”这种错误表现。然而,这种新对称性只有在极高能量下才能实现。在日常的低能状态下,这种对称性就会消失。而为了弥补这一点,物理学家便提出了轴子。

  接下来再来谈一谈弦理论。多年来,科学家一直试图用一套统一的理论框架解释包括引力在内的所有自然力。弦理论便是主流框架之一。但由于多种原因,这个问题非常棘手。首先,弦理论要想成立,宇宙就不仅有三个空间维度和一个时间维度,还要有额外的几个空间维度。

  肉眼当然是看不见这些额外维度的,否则我们早就会注意到了。因此,这些额外额度的规模一定非常小,并且在极小的尺度上卷曲起来,从而躲过了常规的探测手段。

  最困难的是,我们不清楚这些额外维度是如何卷缩的,其卷缩方法可能多达10200种。但它们似乎都有一个共同之处,即都有轴子的存在。因为根据弦理论,轴子就是缠绕并固定在这些卷缩维度周围的粒子。

  此外,弦理论不仅预测了一种轴子,而是可能有成百上千种不同的种类和质量,包括可能出现在强核力理论预测中的轴子。

  愚蠢的弦

  所以,现在我们有了许多类型不同、质量各异的粒子。但轴子可以构成暗物质吗?对此,我们只能说“或许吧”。但“轴子构成暗物质”的理论需要经过观察验证的挑战,因此一些研究人员决定将注意力放在轴子家族中质量较轻的一类上,努力寻找它们的踪影。

  而在这些研究人员开始挖掘早期宇宙中轻如鸿毛的轴子的行为时,他们发现了一些惊人的事情。宇宙在诞生初期曾经历过一系列阶段过渡,从古怪的高能状态变成了常规的低能状态。

  这些阶段过渡发生时,宇宙诞生还不到1秒钟。在此过程中,弦理论中的轴子并不是粒子形式,而是呈现为环状和线状,构成了一张横跨整个宇宙的、质量极轻、几乎隐形的网络。

  这个假想的“轴子宇宙”中充满了各式各样的轴子弦。然而,只有弦理论提出了这样的预测。因此,若能证实我们真的生活在轴子宇宙中,对弦理论而言将是一次重大支持。

  光线的变换

  我们该如何搜索这些轴子弦呢?相关模型预测,轴子弦的质量极轻,因此光线与轴子相撞后不会改变方向,轴子也有可能根本不会与其它粒子发生相互关系。银河系中也许飘浮着成百上千万根轴子弦,而我们根本看不到它们的存在。

  但宇宙极其庞大而古老,我们可以好好利用这一点。而且我们已经意识到,宇宙中存在一种“背景光”。宇宙微波背景(CMB)是宇宙中最古老的光线,从宇宙“幼年时期”(宇宙形成约38万年时)便已经存在。数百亿年来,宇宙一直沐浴在这些光线中。这些光线也在宇宙中无所顾忌地蔓延开去,直到撞上某样东西、挡住它们的去路,譬如我们的微波望远镜。

  因此,我们在观察宇宙微波背景时,看到的其实是数百亿光年范围内的宇宙。假如宇宙中横亘着一张巨大的轴子弦,我们便有可能注意到它,就像用手电筒照亮蜘蛛网的效果一样。

  在2019年12月5日发表在论文预印网站arXiv上的一篇论文中,研究人员计算了轴子宇宙对宇宙微波背景光线可能产生的影响。结果发现,光线从轴子弦旁边经过的方式可能会改变光线的偏振方向。这是因为宇宙微波背景光线(以及其余所有光线)均由电场波和磁场波构成,光线的偏振方向决定了电场的方向,而当宇宙微波背景光线与轴子相遇时,电场方向也会随之改变。我们可以利用特定的滤光器来确定宇宙微波背景光线的偏振方向,从而捕捉到这种效应。

  研究人员发现,假如宇宙中充满轴子弦,会使约1%的宇宙微波背景光线的偏振方向发生变化。这刚好是我们目前探测能力的极限。但科学家正在设计新一代宇宙微波背景绘制设备,如“宇宙起源探测器”、LiteBIRD和“原始膨胀探测器”(PIXIE)等等。这些新型望远镜能够捕捉到轴子宇宙的蛛丝马迹。等它们上任后,我们就能确定自己究竟是生活在一个轴子宇宙中、还是可以排除弦理论的这项预测了。

  而无论是哪种结果,都有许多问题需要解决。(叶子)

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