大科技杂志社官方网站

新浪微薄腾讯微薄

最新碎语:想象力比知识更重要

您的位置:大科技杂志社官方网站 >科学之谜> 塑造了宇宙的“弦”

塑造了宇宙的“弦”

在希腊神话中,有一个叫俄耳甫斯的音乐天才。据说他的琴艺已高超到了出神入化的地步。有一次,他拨动琴弦,石头都纷纷飞起,自动筑成一座城池。

话说在宇宙中也有一种“弦”,对于塑造今日的宇宙是不可或缺的,叫宇宙弦。

宇宙弦是理论上预言、但迄今尚未发现的一种奇特天体。它很长,几乎贯穿整个可见宇宙;它又非常细,一根典型的宇宙弦,直径比氢原子半径的万亿分之一还小(氢原子半径与乒乓球半径之比,几乎等于乒乓球半径与地球半径之比)。它是如此细长,你几乎可以把它当作一维的物体看待。然而它的密度非常大,一根长10千米的宇宙弦就重达一个地球的质量!可以想象,密度如此之大的天体,具有非常强大的引力。

宇宙的相变

为何要预言这样一种古怪的天体?这一切说来话长。

让我们逆着时光,追溯到宇宙大爆炸之后不到0.01秒的那一瞬。虽然那时宇宙的温度依然很高,但与之前相比,还是降低了不少,因为宇宙自诞生以来一直在冷却。

冷却的过程必然伴随着物质形态和性质的变化,即通常所说的相变。日常生活中,最典型的是水的相变。随着温度降低,我们看到水发生连续的相变,在相变时,其性质发生了激烈的变化:先是气态,然后液态,最后又变成固态。

你可能注意到了,液态的水比固态的冰具有更多的对称性。为什么呢?假如你站在液态水的一个水分子上,不管朝哪个方向看,看起来都是一样的。换句话说,液态的水没有一个特殊的方向。我们说它是球对称的。而固态的冰在所有方向上就不再无差别的了。你要是站在冰晶的一个水分子上看,你会发现,水分子在沿着晶格的方向上,排列更加齐整。晶格方向是它的对称轴,冰晶具有轴对称。

显然,球对称比轴对称有着更多的对称性。当物质从有着更多对称性的状态进入较少对称性的状态,我们就说“对称性破缺”了。液态水变成固态冰,就是对称性破缺的一个例子。

宇宙的冷却也是对称性不断发生破缺的过程。根据大统一理论,在宇宙最早期,四种基本作用力——引力、电磁力、强核力和弱核力——是彼此不分的,然后经历了一系列的相变,大家先后从“大统一”的状态中分离出来。伴随这一过程,物质的形态发生了激烈的变化。最终结果是,到了大爆炸之后0.01秒,终于变出了我们今天所熟悉的质子、中子、电子等组成普通物质的粒子。

宇宙相变的“残留物”

宇宙相变还会产生一些副产品。宇宙学家预言,当相变涉及宇宙这么大范围的时候,有些缺陷是不可避免要产生的。它们叫“拓扑缺陷”。关于这个,我们也可以在生活中找到例子。

冬天气温骤降,湖面结起厚厚的冰。假如你在冰面上行走,会发现冰面并非完整的一块,这里那里总有一些裂缝。为什么呢?因为当气温下降时,由于每块水域的自然条件存在差异,导致结冰有先后,而且各自为阵。比如某块水域以A为中心结冰,而另一块水域以B为中心结冰,每一块都在膨胀、扩张,直到它们相撞为止。其结果是,在交界处,以A为中心的冰块跟以B为中心的冰块不能很好地衔接(譬如晶格的朝向不一致),于是裂缝就产生了。再比如铁氧体磁化的时候,也会出现小范围内各自为阵的现象。某一小块区域内的原子朝向固然已被调整到一致了,换句话说,已经被磁化了(这样被磁化的小块区域叫磁畴)。但这些磁畴各自为阵,朝向相当混乱,所以整块铁氧体依然显不出磁性。在相邻磁畴交界处,由于原子的朝向不一致,削弱了磁性,从而形成畴壁。只有消除了畴壁,所有原子的朝向都一致了,铁氧体才算真正被磁化

这些冰面上的裂缝、铁氧体上的畴壁,被称为相变产生的拓扑缺陷。

为什么说宇宙在相变时,拓扑缺陷的产生是不可避免的呢?道理也一样:宇宙在冷却时,各个区域也是各自为阵的。第一,因为宇宙本来就没有中心,没有统一的“指挥部”;第二,因为要想让各个区域协调一致,得有“信使”(即作用力)在彼此之间传递消息,可是作用力传递的速度无法超越光速,不可能无限快,再快的“沟通”也总是滞后的。这样一来,拓扑缺陷就免不了要产生。在缺陷结构中,能量或物质相对集中,演化出一些怪异的天体,包括畴壁、单极子等,而最重要的,则是本文的主角——宇宙弦。

宇宙弦的演化

宇宙弦产生之后,又经历了一系列的演化。其演化由三个要素决定:宇宙膨胀、宇宙弦的交叉和引力辐射。

首先,宇宙弦将随着宇宙的膨胀而被拉长,这好比画在气球表面的一条线,气球膨胀,线也被拉长。

其次,宇宙弦在宇宙早期应该大量存在,形成一张覆盖全宇宙的网络。由于每根宇宙弦的密度都大得惊人,当两根宇宙弦相遇,就会在强大引力的作用下,振动、交叉。交叉时,发生形变,一部分独立成环,其余形成新的宇宙弦(下图a)。此外,因为宇宙弦又细又长,导致各部分受力(其他天体对它的引力)不均匀,一直在剧烈地振动,所以自身也会发生交叉。交叉时,形成独立的宇宙环和新的宇宙弦(下图b)。

最后,宇宙弦和宇宙环由于质量巨大,且在不停振动,会产生强烈的引力波辐射,在辐射中损失能量。所以宇宙弦随着时间的推移会缩短,宇宙环则因为振动更剧烈,会完全蒸发。

这一切总的效果是:尽管宇宙弦在宇宙诞生之初是很多、很密的,但随着它们相互交叉或自身交叉,形成宇宙环,宇宙环又因剧烈振荡,辐射引力波而不断消失,所以宇宙弦和宇宙环随着宇宙的膨胀,变得越来越稀疏。计算机模拟表明,到今天,在可见的宇宙范围内,大概仅存10根贯穿整个宇宙的长宇宙弦,以及大约1千多个小宇宙环。

宇宙大尺度结构的

“种子”

长期以来,天文学家一致认为,宇宙物质的分布(比如星系的分布)在大尺度上应该是均匀的,并把这上升为一条“宇宙学原理”。

但随着观测技术的不断提高,他们发现,在宇宙三维图中,满布着“空洞”和“长城”,宇宙物质的分布远非均匀。所谓的“空洞”,是指那里的星系比别处要稀少得多;所谓的“长城”,是指星系比别处要密集得多的地方。这些宇宙大尺度结构到底是怎么来的呢?一时让人困惑莫解

从传统宇宙学角度,当前对此有两种解释。

一种解释认为,这是宇宙早期物质涨落被放大的结果:宇宙诞生之初,虽然物质总体来说是均匀分布的,但由于不可避免的涨落,也可能出现这个地方物质多一点,那个地方物质少一点的现象。本来,物质交换频繁的话,涨落是旋生旋灭,不能持久的,难以形成任何结构。但此时,一件意外的事情——暴胀——发生了。宇宙在大约短短10-30秒内,体积膨胀了大约1026倍,由一个氢原子大小膨胀到一个柚子般大小。暴胀时,宇宙物质迅速分离。这样一来,由于物质来不及交换,暴胀前的涨落格局就得以保存下来。这些被暴胀放大了的宇宙早期的物质涨落,就是后来形成大尺度结构的“种子”。

另一种解释,就是作为宇宙相变副产品的拓扑缺陷,尤其是宇宙弦。这些拓扑缺陷本来跨度就很大,而且它们的出现是必然的,所以只要在一段时间内被保存下来,就可成为搭建宇宙大尺度结构的“脚手架”。比如宇宙弦凭借其强大的引力,把周围物质吸引到其身边,孕育出恒星、星系,由此形成跨度极大的宇宙“长城”。宇宙环也是如此,在其消失之前,把星际物质吸引到其周围,孕育出超星系团之类的大尺度结构。这正是今天的宇宙学家对它们感兴趣的地方。

寻找宇宙弦

宇宙弦尽管对于塑造宇宙如此重要,遗憾的是,我们至今依然没有直接观测到它们,甚至在微波背景辐射中,也没有寻找到蛛丝马迹。但最近,有科学家声称,他们找到了证明它们存在的间接证据。

在天空中存在一类异常明亮的天体,叫类星体。据认为,类星体中心盘踞着超大质量的黑洞。类星体会在某个特殊的方向上产生极强、极明亮的喷流,天文学家据此可以识别它们。

美国布法罗大学的一个小组在研究了宇宙纵深处355颗类星体之后发现,其中183颗类星体的喷流朝向在天空中刚好排列成一个巨型的环状。他们猜测,在这个巨型环的位置上,很可能最初有两条宇宙弦发生了交叉,生下一个宇宙环,正是这个宇宙环影响了喷流的朝向。虽然后来它蒸发了,但喷流有规则的排列却保留了下来。进一步的计算机模拟似乎也印证了他们的猜测。

此弦亦彼弦?

最后,顺便提一下宇宙弦和超弦的关系。

在粒子物理学中,超弦理论曾经风靡一时。该理论认为,所有基本粒子其实是同一种物质在不同状态下的表现,这种基本物质就是弦。比如说电子,现在的基本粒子理论假设它是没有内部构造的一个点。但从超弦理论来看,电子并不是一个点,而是一个极小、极细的一维闭合弦。弦可以以不同方式振动。就像小提琴弦在不同的振动下会发出不同音调的声音一样,弦的不同振动模式表现为各种形态的基本粒子。超弦理论甚至认为,各种基本作用力,也是弦的不同振动模式而已,这样一来。超弦理论就实现了物理学家梦寐以求的“大统一”。

这里且不谈超弦理论的正确与否,只谈谈宇宙弦和超弦的关系。

最初,大家认为两者毫无关系,此弦非彼弦。但后来有人提出,两者或许是有关系的。

前面提到的宇宙弦,是宇宙相变中产生的一种拓扑缺陷。但2002年有人提出,假如我们认同超弦理论的观点,那么在宇宙的“大统一”时期,宇宙(那时比一个质子还小)中应该充斥着无数微小的超弦。一部分弦在宇宙膨胀的过程中,同样可以被拉伸成跨星系的大尺度的弦,而且表现出跟宇宙弦相似的特征。

如果是这样的话,宇宙弦除了宇宙相变的起源,又多了一种起源:被拉伸的超弦。

---

转载请注明本文标题和链接:《塑造了宇宙的“弦”

分享到:

发表评论

路人甲 表情
Ctrl+Enter快速提交