宇宙中或布滿看不見的弦組成的「蜘蛛網」 奏出一章弦樂交響曲

2020-12-17 前瞻網

如果說，我們的宇宙充滿了數百種幾乎不可見的粒子，而且很久以前，這些粒子形成了一個跨越宇宙的弦的網絡，你會怎麼想?

這聽起來既令人振奮又令人敬畏，但這實際上是對弦理論的一種預測，是我們對萬物理論的最佳(但令人沮喪地不完全)嘗試。這些奇異的，儘管是假設的小粒子被稱為軸子，如果能夠找到它們，那就意味著我們所有人都生活在一個巨大的「軸子宇宙」中。

這個理論的最好之處在於，它不只是一些物理學家的空想假設，沒有檢驗的可能性。在不久的將來，實際上正在建造的微波望遠鏡可能會檢測到這種難以理解的巨大弦網。

如果找到了，則「軸子宇宙」將使我們在解決……所有物理難題方面邁出一大步。

弦樂交響曲

首先，我們需要更好地了解軸子。子由物理學家(後來獲得諾貝爾獎得主)弗蘭克·威爾澤克(Frank Wilczek)於1978年命名，之所以得名，是因為它被假定為存在某種對稱性破壞而存在。物理學家喜歡對稱性，尤其是當某些模式出現在數學中時。

有一種對稱性稱為CP對稱性，它表示物質和反物質的坐標相反時其行為應相同。但是這種對稱性似乎並不自然地適合於強核力理論。解決這個難題的一種方法是在宇宙中引入另一種對稱性，以「糾正」這種不良行為。但是，這種新的對稱性僅在極高的能量下出現。在日常的低能量狀態下，這種對稱性消失了，並因消失而冒出來一個新粒子——軸子。

現在，我們需要轉向弦理論，這是我們的嘗試(並且這是我們50多年來的主要嘗試)，以便在單個理論框架中統一所有自然力，尤其是重力。由於多種因素，這被證明是一個特別棘手的問題，其中最重要的是，要使弦論發揮作用(換句話說，數學甚至有希望解決)，宇宙必須具有比通常的三個維度更廣的空間和一個時間;必須有額外的空間維度。

當然，肉眼看不到這些空間維度。否則，我們會注意到這種事情。因此，額外的維度必須非常小，並以很小的比例捲曲在自己身上，以至於無法正常地發現它們。

造成這種困難的原因是，我們不確定這些額外的維度是如何自動縮小的，並且大約有10 ^ 200種可能的方法可以實現。

但是這些維度排列似乎有一個共同點，那就是軸子的存在，按照弦理論，子軸是圍繞某些捲曲維度纏繞並被卡住的顆粒。

更重要的是，弦理論不僅預測一種軸子，而是數百種不同質量的軸子，包括可能在強核力理論預測中出現的軸子。

傻傻的弦

因此，我們有許多質量各異的新型粒子。這太棒了!軸子是否可以組成暗物質嗎?暗物質似乎負責給星系提供大部分質量，而普通望遠鏡卻無法探測到它。也許，這是一個懸而未決的問題。但是作為暗物質的軸子必須面對一些具有挑戰性的觀測測試，所以一些研究人員轉而關注軸子家族的較輕一端，探索找到它們的方法。

當這些研究人員開始研究這些輕量級軸子在早期宇宙中的預期行為時，他們發現了一些真正令人稱奇的東西。在我們宇宙歷史的最早時刻，宇宙經歷了相變，將其整個特徵從奇特的高能狀態改變為常規的低能狀態。

在其中一個相變(發生在宇宙誕生不到一秒的時候)中，弦理論的軸子沒有以粒子的形式出現。相反，它們看起來就像環和線——一種輕型的、幾乎看不見的弦組成的網絡，縱橫交錯在宇宙中。

這種假想的軸子充滿了各種各樣的輕質軸子弦，除了弦理論外，沒有其他的物理學理論可以預測它。因此，如果我們確定我們生活在一個「軸子宇宙」中，那將是弦理論的一大福音。

光線的變化

我們如何搜索這些軸子弦?模型預測軸子弦的質量很低，因此光線不會撞到軸子上並彎曲，或者軸子可能不會與其他粒子混合。現在可能有數百萬條軸子弦在銀河系中漂浮，而我們卻看不到它。

但是宇宙又老又大，我們可以利用它來發揮自己的優勢，尤其是當我們認識到宇宙也是背光的時候。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙中最古老的光，在它還是一個嬰兒的時候發出——大約38萬年。這些光已經浸透宇宙幾十億年了，穿過宇宙直到它最終撞到了什麼東西，比如我們的微波望遠鏡。

所以，當我們觀察CMB時，我們看到的是數十億光年的宇宙。這就像透過一系列蜘蛛網看手電筒的光：如果有一個穿過宇宙的軸心線網絡，我們有可能發現它們。

在12月5日發布在arXiv資料庫中的一項最新研究中，三位研究人員計算出了一種軸子宇宙對CMB光的影響。他們發現，取決於一束光在特定軸子附近通過的方式，該光的偏振方向可能會發生偏移。那是因為CMB的光(以及所有光)是由電場和磁場波組成的，光的偏振告訴我們電場的方向-當CMB的光遇到軸子時，這種情況會改變。我們可以通過使信號通過專門的濾波器來測量CMB光的偏振，從而挑選出這種效果。

研究人員發現，一個充滿弦的宇宙對CMB的總體影響導致了大約1%的極化轉移，這正好在我們今天可以檢測到的範圍之內。但是，目前正在設計未來的CMB映射器，例如Cosmic Origins Explorer，用於從宇宙背景輻射檢測(LiteBIRD)進行B模式極化和膨脹研究的Lite(Light)衛星以及Primordial Inflation Explorer(PIXIE)。這些未來的望遠鏡將能夠探測出一個軸子宇宙。一旦這些映射器上線，我們要麼會發現我們生活在一個軸子宇宙中，要麼就會排除弦理論的這種預測。

無論哪種方式，都有很多需要解決的問題。

原文出處：https://www.livescience.com/universe-filled-with-axion-strings.html，《The Universe May Be Flooded with a Cobweb Network of Invisible Strings》，作者：Paul Sutter

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