反物質之謎、宇宙起源、時空旅行……這些都和神秘的「宇宙弦」有關?

2020-11-23 手機鳳凰網

存在還是不存在?為什麼我們的宇宙(從原子、中子到黑洞)會存在?這似乎是一個不成問題的問題，看起來像哲學家們形上學的追根究底，但其著實是一個科學「問題」。

目前，最廣為人們所接受的關於宇宙起源的是大爆炸理論。該理論中，宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的。大爆炸後不久，宇宙膨脹拉伸了我們宇宙的微小種子，並將能量轉化為物質。

物理學家認為，膨脹最初產生了等量的物質和反物質，它們在接觸時相互湮滅。

但後來發生了一件事，使天平向物質方向傾斜，讓現在我們能看到和觸摸到的一切都成為了存在——一項新的研究表明，這其中的原因可能隱藏在一種時空中非常細微的漣漪中。

天平是如何傾斜的?

物質和反物質是相互對立的，相等但電荷相反。反物質是反粒子概念的延伸，目前科學界已經發現了300多種基本粒子，都是正反成對存在，這揭示了反物質存在的可能性。

2010年11月17日，歐洲研究人員在科學史上首次成功"抓住"微量反物質。自那時起，反物質逐漸揭開了其神秘的面紗。

回到宇宙起源問題上。這項研究的主要作者、加州大學伯克利分校博士後研究員、勞倫斯·伯克利國家實驗室物理研究員Jeff Dror舉例說明：「如果你一開始只有相同分量的物質和反物質，最終你會得不到任何東西。一切都會湮滅。」

顯然，我們的宇宙仍然存在，但研究人員尚不確定這是為什麼，在宇宙起源之初究竟發生了什麼打破了天平的平衡。

答案可能涉及到一種被稱為中微子的非常奇怪的基本粒子，它們不帶電荷，因此既可以作為物質也可以作為反物質。

一種觀點認為，大爆炸後大約100萬年，宇宙冷卻並經歷了相變，這一過程類似於沸水將液體轉化為氣體的過程。

Dror說，這種相位變化促使衰變的中微子產生的物質比反物質多出「一點點」。

但是「沒有非常簡單的方法——或者幾乎任何方法——來探究(這個理論)，並了解它是否真的發生在早期宇宙中。」

不過，Dror和他的團隊，通過理論模型和計算，找到了一種我們可以看到相變的方法。他們提出，這種變化將會產生極長極細的被稱為「宇宙弦」的能量線，這些能量線時至今日仍然遍布宇宙。

這項研究結果發表在1月28日的《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

Dror和他的團隊意識到這些宇宙弦極有可能在時空中產生非常微小的漣漪，即引力波。探測這些引力波，我們就能發現這個理論是否正確。

宇宙弦：不止關於宇宙起源

關於「宇宙弦」的理論實際上早已有之。比起宇宙起源來講，還是與它有關的另一個概念比較吸引人些：時空旅行。

宇宙弦被認為是在宇宙相變、進行極大冷卻後所產生的，可能存在於氣泡和時空結構的裂縫之間的邊界上。

宇宙弦是很難想像的物體，蒙特婁麥吉爾大學的物理學家和Oscar Hernandez表示，但在我們的世界裡，它們也有相似之處。

「你在結冰的湖面上走過嗎?」你注意到結冰的湖面上有裂縫嗎?它仍然很堅固。沒有什麼可怕的，但是確實有裂縫。」Hernandez表示。

宇宙弦被認為將會非常纖細，直徑和質子一樣。然而，它們有著巨大的密度，這表示它們也是重要的引力源。一根1.6公裡長的宇宙弦可能比地球還重。

然而，廣義相對論預測，一條直線的引力勢會消失:在靜止的周圍物質上沒有引力。直線宇宙弦的唯一引力效應是物質(或光)通過相反方向弦的相對偏轉(純粹的拓撲效應)。

一些科學家建議使用「宇宙弦」來建造一臺時間機器。通過操縱兩根宇宙弦靠近——或者可能只是一根弦加上一個黑洞——理論上有可能創造出一整套「閉合的類時曲線」。

如果你以極高的速度發射兩根無限長的宇宙弦，然後讓飛船以一個精心計算的數字8繞著它們飛行，理論上，你就可以出現在任何時間，任何地點。

蹤跡渺茫?

宇宙中最強的引力波發生在超新星或恆星爆炸的時候、當兩顆大恆星相互環繞的時候，或者當兩個黑洞合併時。但由宇宙弦引起的引力波比人類的儀器以前探測到的要小得多，這使其變得極為難以探測。

此前，也有一些物理學家認為，在宇宙微波背景輻射(CMB)中，我們可能仍能找到這些被稱為「宇宙弦」的裂縫或缺陷的證據。

Hernandez曾在2017年發表論文表示，假設有一張完美的、無噪聲的宇宙微波背景輻射圖，運行這種神經網絡的計算機應該能夠找到宇宙弦，即使它們的能量水平(或「張力」)非常低。

但他隨即又在2019年指出，這個證據太微弱了，任何望遠鏡都無法分辨出噪音。

但他們後來再次討論了這個想法，他們指出，在現實中，幾乎肯定不可能為神經網絡提供足夠乾淨的CMB數據來檢測這些潛在的弦。其他更亮的微波源使CMB模糊不清，難以完全分辨。他們認為，諸多局限因素加在一起，使得這種尋找宇宙弦的方法是行不通的。

不過，他們又提出了一種新的尋找方法，即基於測量宇宙在宇宙古代部分的各個方向的膨脹。這種被稱為21釐米強度映射的方法，它不依賴於研究單個星系的運動，也不依賴於CMB的精確圖像。相反，它是基於測量氫原子離開地球的平均速度。

Dror研究小組則在模擬在不同溫度條件下可能發生的相變時有了一個令人鼓舞的發現：他們將希望寄託於未來。

在任何情況下，宇宙弦都會產生引力波，這些引力波有望被正在建設中的一些新天文臺探測到，比如歐洲航天局的雷射幹涉太空天線(LISA)和擬議中的大爆炸觀測者(Big Bang Observer)以及日本航空宇宙探索署(Japan Aerospace Exploration Agency)的Deci-hertz幹涉引力波觀測站(DECIGO)。

沒有參與這項研究的亞利桑那州立大學的理論物理學家Tanmay Vachaspati也同意這個說法，他認為，如果這些弦以足夠高的能量尺度產生，它們確實會產生引力波，有望在未來被探測到。

如果真是如此，那麼人類距離解開這種神秘的「宇宙弦」之謎將僅有一步之遙。

參考資料：

https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-string-gravitational-waves-could-solve-antimatter-mystery/

https://www.realclearscience.com/articles/2019/11/28/there_might_be_cracks_in_spacetime_111202.html

https://andersoninstitute.com/cosmic-strings.html

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