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軸子宇宙:巨大無垠的“弦網絡”可能鋪滿整個宇宙

[ 來源:新浪科技 | 作者:本站 | 發布時間:2020-01-15 | 瀏覽:236次 ]

據國外媒體報道,弦理論有一項很古怪的推測,認為宇宙中充斥著成百上千種幾乎隱形的粒子,并且在很久很久之前,這些粒子曾經組成過一張橫跨整個宇宙的弦網絡。

盡管還未做到盡善盡美,但弦理論是目前最接近真相的“萬物理論”。剛才所說的這些假想粒子名叫“軸子”,假如能證實它們的存在,就意味著我們生活在一個廣闊的“軸子宇宙”中。

該理論最出色的地方在于,它并非物理學家的紙上談兵、無法通過檢驗來證實。相反,利用目前正在搭建的微波望遠鏡,我們也許在不久的將來就能探測到這張巨大無垠的弦網絡。

而如果證實了軸子宇宙的存在,我們便朝最終揭開萬物之謎邁進了一大步。

弦的“交響樂”

接下來,讓我們談談怎樣才能做到這一點。首先,我們需要進一步了解軸子。軸子由物理學家、諾貝爾獎得主弗蘭克·維爾切克(Frank Wilczek)于1978年命名。之所以起這個名字,是因為根據物理學家推測,該粒子源自一種特定類型的對稱性破缺。

有一種對稱名叫CP對稱,認為如果將物質與反物質的坐標互換,兩者的表現應當完全相同。但這種對稱性似乎無法與強核力理論自然吻合。要解開這個謎團,可以引入宇宙中的另一種對稱性,從而“糾正”這種錯誤表現。然而,這種新對稱性只有在極高能量下才能實現。在日常的低能狀態下,這種對稱性就會消失。而為了彌補這一點,物理學家便提出了軸子。

接下來再來談一談弦理論。多年來,科學家一直試圖用一套統一的理論框架解釋包括引力在內的所有自然力。弦理論便是主流框架之一。但由于多種原因,這個問題非常棘手。首先,弦理論要想成立,宇宙就不僅有三個空間維度和一個時間維度,還要有額外的幾個空間維度。

肉眼當然是看不見這些額外維度的,否則我們早就會注意到了。因此,這些額外額度的規模一定非常小,并且在極小的尺度上卷曲起來,從而躲過了常規的探測手段。

最困難的是,我們不清楚這些額外維度是如何卷縮的,其卷縮方法可能多達10200種。但它們似乎都有一個共同之處,即都有軸子的存在。因為根據弦理論,軸子就是纏繞并固定在這些卷縮維度周圍的粒子。

此外,弦理論不僅預測了一種軸子,而是可能有成百上千種不同的種類和質量,包括可能出現在強核力理論預測中的軸子。

愚蠢的弦

所以,現在我們有了許多類型不同、質量各異的粒子。但軸子可以構成暗物質嗎?對此,我們只能說“或許吧”。但“軸子構成暗物質”的理論需要經過觀察驗證的挑戰,因此一些研究人員決定將注意力放在軸子家族中質量較輕的一類上,努力尋找它們的蹤影。

而在這些研究人員開始挖掘早期宇宙中輕如鴻毛的軸子的行為時,他們發現了一些驚人的事情。宇宙在誕生初期曾經歷過一系列階段過渡,從古怪的高能狀態變成了常規的低能狀態。

這些階段過渡發生時,宇宙誕生還不到1秒鐘。在此過程中,弦理論中的軸子并不是粒子形式,而是呈現為環狀和線狀,構成了一張橫跨整個宇宙的、質量極輕、幾乎隱形的網絡。

這個假想的“軸子宇宙”中充滿了各式各樣的軸子弦。然而,只有弦理論提出了這樣的預測。因此,若能證實我們真的生活在軸子宇宙中,對弦理論而言將是一次重大支持。

光線的變換

我們該如何搜索這些軸子弦呢?相關模型預測,軸子弦的質量極輕,因此光線與軸子相撞后不會改變方向,軸子也有可能根本不會與其它粒子發生相互關系。銀河系中也許飄浮著成百上千萬根軸子弦,而我們根本看不到它們的存在。

但宇宙極其龐大而古老,我們可以好好利用這一點。而且我們已經意識到,宇宙中存在一種“背景光”。宇宙微波背景(CMB)是宇宙中最古老的光線,從宇宙“幼年時期”(宇宙形成約38萬年時)便已經存在。數百億年來,宇宙一直沐浴在這些光線中。這些光線也在宇宙中無所顧忌地蔓延開去,直到撞上某樣東西、擋住它們的去路,譬如我們的微波望遠鏡。

因此,我們在觀察宇宙微波背景時,看到的其實是數百億光年范圍內的宇宙。假如宇宙中橫亙著一張巨大的軸子弦,我們便有可能注意到它,就像用手電筒照亮蜘蛛網的效果一樣。

在2019年12月5日發表在論文預印網站arXiv上的一篇論文中,研究人員計算了軸子宇宙對宇宙微波背景光線可能產生的影響。結果發現,光線從軸子弦旁邊經過的方式可能會改變光線的偏振方向。這是因為宇宙微波背景光線(以及其余所有光線)均由電場波和磁場波構成,光線的偏振方向決定了電場的方向,而當宇宙微波背景光線與軸子相遇時,電場方向也會隨之改變。我們可以利用特定的濾光器來確定宇宙微波背景光線的偏振方向,從而捕捉到這種效應。

研究人員發現,假如宇宙中充滿軸子弦,會使約1%的宇宙微波背景光線的偏振方向發生變化。這剛好是我們目前探測能力的極限。但科學家正在設計新一代宇宙微波背景繪制設備,如“宇宙起源探測器”、LiteBIRD和“原始膨脹探測器”(PIXIE)等等。這些新型望遠鏡能夠捕捉到軸子宇宙的蛛絲馬跡。等它們上任后,我們就能確定自己究竟是生活在一個軸子宇宙中、還是可以排除弦理論的這項預測了。

而無論是哪種結果,都有許多問題需要解決。(葉子)


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