我們生活在一個充滿時空裂縫的宇宙中?

博科園：科學科普-宇宙學類

根據一些理論，宇宙在大爆炸後迅速冷卻，這一過程使得宇宙出現「縫隙」——無數蘊含大量能量、長度有如星系的細絲。現在，還從未有人探測到這種「宇宙弦」的存在，但引力波的發現可能會改變這一局面。我們的宇宙從大爆炸開始，就以驚人的速度膨脹並冷卻下來。也許這個過程實在太快了。一些物理學家認為，快速冷卻可能破壞了宇宙的結構。

這些細線狀的裂痕可能仍然存在於時空中，我們稱之為宇宙弦。在現有的數學模型中，宇宙弦被看作是由純能量組成的隱形弦，這些弦的直徑比原子小但長度可達數光年。它們所含的巨大能量使其非常沉重：幾釐米的宇宙弦可能和珠穆朗瑪峰一樣重。一些宇宙弦的支持者，例如法國高等科學研究所的理論物理學家蒂奧·達穆爾（Thibault Damour）是被始終預測其存在的數學計算說服的。

「事實上，理論計算中總是會出現宇宙弦，這讓我更加相信它們的存在。」他說。然而，作為早期宇宙留下的時間膠囊，宇宙弦應該蘊含巨大的能量——比大型強子對撞機中砸碎粒子所釋放的能量高10億倍以上。在塔夫茨大學研究了20多年宇宙弦的理論物理學家肯·奧盧姆（Ken Olum）說：「你無法通過加速器來檢驗這個能量尺度上的物理。」任何現有的天文儀器都沒法檢測到這些在星系之間穿越的細絲。對一部分物理學家來說，一個無法被檢驗的理論是不值得追求的。

這使得宇宙弦被歸入了與「弦理論」相同的範疇，後者也是個飽受爭議的理論，與宇宙弦同名，其尺度卻是另一個極端。按照弦理論，比任何亞原子粒子都小的振動弦是構成宇宙的基本零件。對於墨爾本斯威本科技大學的天體物理學家馬修·拜萊斯（Matthew Bailes）而言，宇宙弦只是「在數學上令人好奇」，或者更糟糕的說法是「奇異的幻想」。但是這一切可能即將改變。年僅兩歲的引力波天文學可能會最終驗證宇宙弦的存在。我們無法看到宇宙弦，但引力波探測器也許能夠聽到在它們在太空中揮動時發出的聲響。

大爆炸後的宇宙裂縫

你可能會想知道空間是如何破裂的。用量子場論物理學家的視角觀察宇宙，會對理解這個概念有所幫助。黑客帝國中的尼奧已經很接近這個境界，在他看來，世界是由綠色的1和0組成的透明織物。而量子場論將宇宙看作是由無處不在的場編織成的。場像流體一樣填充空間，我們所說的「粒子」是流體內的漣漪。一個光子是電磁場中的漣漪（我們體驗到的是光），電子是在「電場」中的漣漪，希格斯玻色子是在希格斯場中的漣漪……「除了場，別無其他。

」已經退休的普林斯頓物理學家弗裡曼·戴森（Freeman Dyson）這樣說過。2016年去世的英國理論物理學家湯姆·基布爾（Tom Kibble）在1976年提出了關於宇宙弦的想法。他認為，在宇宙大爆炸之後的第一秒，宇宙就快速膨脹然後迅速冷卻，這導致量子場的相變，如同水凍結成冰一般。

在一塊冰中，一些區域凝結時形成的晶體朝向是不同的，就像從房間的不同角落同時開始鋪設瓷磚。在相遇的地方，它們不能完美貼合，導致裂縫出現。同樣，基布爾猜測，早期宇宙中的量子相變會讓方向不同的場拼在一起，造成裂縫——也就是宇宙弦。

許多關於宇宙誕生的理論表明，宇宙是被宇宙弦穿過的：在大爆炸之後快速冷卻期間產生的時空裂縫。該模型展示了弦（橙色）和許多較小的閉環（綠色）。來源： CARLOS MARTINS & PAUL SHELLARD

基布爾過去的一些預測已經得到了證實。他獨立預測了一個可以將質量賦予其他粒子的基本粒子，現在稱為希格斯玻色子。2012年該粒子被發現，提出希格斯理論的其他科學家後來獲得了諾貝爾物理學獎。然而，宇宙弦的驗證極其困難。它們只會出現在與可觀測宇宙一樣大的廣大區域的邊緣。

這就是為什麼基布爾在1976年最初的計劃中寫道：「直接尋找宇宙弦將毫無意義」。要不是5年後烏克蘭物理學家亞歷山大·維連金（Alexander Vilenkin）得到有說服力的計算結果，宇宙弦的故事可能已經結束了。

無處不在的宇宙弦思想

到了20世紀80年代初，大多數宇宙學家接受了宇宙大爆炸理論——宇宙是從一個溫度與密度極高的均勻狀態演化而來的。但是這個想法存在一個重要的問題：現在的宇宙中物質分布是不均勻的，存在星系和星系團等結構，這種這種不均勻的宇宙是如何形成的呢？

維連金在思考這個問題時，恰好看到了基布爾1976年論文中的批註：當宇宙弦在空間中扭動時穿過自己，就會切下來一個獨立的「環」。這些環就像是在太空中，具有光年尺寸的「呼啦圈」，它們的質量巨大。維連金不斷進行計算機模擬，發現早期宇宙中存在的閉弦的數量非常接近星系的數量。他推斷，也許一個閉弦會生成一個年輕的星系，就像一粒沙子有可能會長成一顆珍珠。

這個想法激起了物理學家極大的興趣。史蒂芬·霍金寫了許多探討閉弦是如何坍塌成黑洞的論文。許多人對它們在空間上是如何彎曲、扭曲的很感興趣。有人甚至得出了一套宇宙弦的探測理論：如果宇宙初期存在大量的閉弦，那它們就會在大爆炸的餘暉，也就是宇宙微波背景輻射上留印記。

1989年11月，宇宙背景探測器（COBE）衛星發射——這是一項耗資1.4億美元的實驗，用於繪製宇宙微波背景輻射的分布。但是在1992年，數據發布時，科學家並未發現宇宙中有絲毫宇宙弦的痕跡。相反，這些數據更傾向於另一種理論，即星系來自宇宙比原子還小時的微小量子漲落。密爾沃基大學的理論物理學家澤維爾·西門子（Xavier Siemens）承認道：「這確實會使人失去對宇宙弦的熱情，但這一理論並未被宣判死刑。」

與此同時，基布爾的弦在物理學其他領域中出現了。1996年，同一期《自然》期刊上的兩篇論文通過液氦迅速冷卻的實驗，模擬了早期宇宙的演化。在液晶和超導體的相變過程中，研究人員發現了類似於弦的裂紋缺陷，這些特殊材料的性質也符合基布爾方程。「實際上，可以說基布爾發現的缺陷和排序方式，幾乎在任何地方都發現過，除了整個宇宙中。」加拿大圓周理論物理研究所的物理學家尼爾·圖羅克（Neil Turok）在2013年的著作《對稱性與基礎物理》（Symmetry and Fundamental Physics）中寫道。

宇宙弦思想也出現在微觀物理學中。一篇於2003年發表在Physical Review D的綜述得出結論：幾乎所有的超對稱理論（該理論認為所有基本粒子都存在尚未被發現的超對稱粒子）都預測了宇宙弦以某種形式存在。與此同時，奧盧姆和其他人的計算機模擬表明，如果這個預測成立，那麼可觀測宇宙中至少分布有十億個圈狀的閉弦。現在缺少的是實際觀測。但是，這種比原子直徑更細、和星系一樣長的不可見物質，該如何檢測呢？

引力波探測器是我們探測宇宙弦運動痕跡的最佳希望。它們可以探測不同頻率的引力波：LIGO和VIRGO可以探測高頻的引力波，脈衝星測時陣列可以探測低頻，而LISA可以填補兩者之間的空白。

用引力波找到宇宙弦？

2015年9月，雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）檢測到由兩個合併的黑洞發出的引力波。這將天文學家探索宇宙的能力提升到另一個高度。「在LIGO發現引力波之後，」 達穆爾說，「我立刻想到『啊哈！如果能用它探測到宇宙弦就太好了。』」

宇宙弦看不見，但它們有可能被探測到。引力波是大質量物體快速移動時所產生的時空漣漪——比如一對黑洞或中子星。或者，是一個扭曲的宇宙弦。

「就像一根揮動的鞭子。」 達穆爾解釋說。他在2000年與維連金一起提出了這個想法。一條鞭子的揮動聲，實際上是當它尾部的一部分移動速度超過聲速時產生的音爆。同樣，隨著閉弦的擺動和反彈，它的一部分會被甩到光速，並釋放一陣引力波。兩位物理學家計算後表示，這樣的暴發是可以被LIGO檢測到的。

從2005年到2010年，LIGO一直在探測，但沒有得到理想的數據。自2015年9月以來，靈敏度提高了4倍的LIGO繼續堅守崗位。探測的一個難點是這種引力波是沿著特定方向發射的，就像手電筒的光束。LIGO必須正好在引力波的路徑上。

這就是為什麼我們探測宇宙弦的最大希望可能不在於它們的揮動，而在於它們的轉動。圈狀的閉弦轉起來就像呼啦圈一樣，它會發出引力波——每轉一圈都會產生一次引力波。由於閉弦周長可以達數光年，所以可能需要幾十年才能完成一次自轉。換句話說，這個宇宙級別的「呼啦圈」會以極低的頻率產生引力波。對於LIGO來說這個頻率太低，沒法檢測到。這時候就需要一個完全不同的引力波探測器。幸運的是，我們剛好有。

脈衝星測時陣列（pulsar timing array）是一個星系量級的引力波探測器。脈衝星是會發射強烈脈衝的旋轉中子星（恆星爆炸塌陷之後的核心），其脈衝發射頻率的精準程度能和原子鐘相媲美。北美納米赫茲引力波觀測站（NANOGrav）十多年來一直痴迷於為幾十個脈衝星計時。

任何與標準脈衝周期的偏差都可能意味著，一束經過的引力波拉伸或擠壓了我們與脈衝星之間的時空，導致時間稍微滯後或超前。

「我們將打開一個全新的低頻引力波探測窗口。」 NANOGrav的站長西門子說。為了儘可能監視更多的脈衝星，NANOGrav與另外兩個脈衝星測時陣列相連，其中一個使用歐洲的射電望遠鏡，另一個則位於澳大利亞新南威爾斯州的帕克斯天文臺。

但去年九月，西門子和奧盧姆宣布搜尋仍然一無所獲。「在物理學中，當你找不到預期的東西時，並不代表是失敗，」 奧盧姆說。「這是另一種意義上的成功，因為它暗示了我們宇宙中還存在著我們所不知道的事情。」在某些特定量級上沒有發現宇宙弦，就已經可以排除一部分超對稱理論。

尋找宇宙弦的下一步，也許是我們得到答案的唯一希望，就是將於2034年發射的雷射幹涉空間天線（LISA）。作為一臺空間引力波探測器，它將接收頻率處於LIGO和脈衝星測時陣列之間的引力波頻段。

即使結果一直都不理想，但物理學家仍然不會放棄宇宙弦。西門子表示，弦的能量可能太低，因而無法發出任何可探測信號。另一種可能性是古老的宇宙弦在宇宙大爆炸之後，飛快地釋放能量並耗散殆盡，以至於沒有留下明顯的痕跡。如今，宇宙弦和一些巧妙的理論，能幫助我們更好地理解宇宙，但這些理論缺乏實驗上的驗證。「物理總是集美麗與危險於一身，」 達穆爾說。「有時某些東西存在，卻永遠看不到。」

博科園-科學科普｜文：卡達·奧康奈爾（Cathal O』Connell）｜來自：環球科學ScientificAmerican（huanqiukexue）