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宇宙中可能有”裂縫”:從地球上還無法觀測到的宇宙弦



北京時間12月4日消息,時空中可能存在著“裂縫”,但人類的望遠鏡還無法看到它們。這些古老的裂縫(如果確實存在的話)是大爆炸後極短時間裡的殘餘,當時宇宙剛剛從一個更熾熱、更陌生的狀態,向我們今天看到的更冷、更熟悉的狀態轉變。一項新理論稱,這場被物理學家稱為“相變”的大冷卻,在宇宙中發生的時間並不一致,某些地方要比其他地方開始得更早。

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宇宙中的這些裂縫如果存在的話,很可能是大爆炸後極短時間裡的殘餘

更冷的宇宙部分形成氣泡,並在空間中擴張,直到它們遇到其他氣泡。最終,所有的空間都發生了轉變,原來的宇宙消失了。

然而,這種古老的高能狀態可能存在於氣泡之間的邊界,時空結構的冷卻區域在這里相遇,並沒有完全融合在一起,從而形成了裂縫。一些物理學家認為,在宇宙微波背景輻射(CMB)中,我們可能仍能發現一些證據,表明這些被稱為“宇宙弦”的裂縫或瑕疵的存在。不過,一篇新論文指出,這個證據太微弱了,任何望遠鏡都無法將其與噪音分辨出來。

論文作者之一、加拿大蒙麥吉爾大學的物理學家奧斯卡·赫爾南德斯(Oscar Hernandez)表示,宇宙弦是很難想像的物體,但在我們熟悉的世界裡,也可以找到一些類比的東西。他說:“你有沒有在結冰的湖面上走過?你會注意到結冰的湖面上有裂縫嗎?湖面依然很堅固,沒有什麼可怕的,但是也存在裂縫。”

這些裂縫的形成過程就類似於宇宙弦的相變過程。 “冰是經過相變的水,”赫爾南德斯說,“水分子以液體的形式自由移動,然後在某個地方,它們突然開始形成晶體……水分子開始連接成片,一般呈六邊形。現在,想像你用一片片完美的六邊形瓷磚來鋪在湖面上。如果在湖的另一端,又有人開始鋪瓷磚的話,那你的瓷磚能排成一行的機會基本上為零。”

在結冰的湖面上,不完美的交匯處會形成長長的裂縫。在時空交織的結構中,如果基礎物理理論是正確的話,就可能會形成宇宙弦。研究人員認為,太空中存在著決定基本力和粒子行為的場。宇宙最初的相變產生了這些場。

“可能存在一個與某種粒子有關的場,在某種意義上,它必須'選擇一個凍結和冷卻的方向'。而且因為宇宙真的很大,在宇宙的不同部分,這個場會選擇不同的方向,”赫爾南德斯說,“現在,如果這個場符合某些條件……那麼當宇宙冷卻下來時,就會有不連續的線,就會有無法冷卻的能量線。”

今天,這些交會點將以無限細的能量線的形式出現,穿過宇宙空間。埃爾南德斯指出,發現這些宇宙弦的意義重大,因為它們將成為新的證據,證明物理學比當前模型所允許的更大、更複雜。

目前,最先進的粒子物理學理論被稱為標準模型。該模型包括了組成原子的夸克和電子,以及其他更奇特的粒子,如希格斯玻色子和中微子。

然而,儘管能解釋許多奇特的現象,但大多數物理學家仍認為標準模型是不完整的。研究人員提出了許多擴展該模型的想法,比如超對稱粒子和超弦理論。超弦理論認為,所有的粒子和力都可以解釋為微小的、多維的“弦”的振動。值得注意的是,超弦理論中的“弦”與宇宙“弦”是不同的。由於可用的比喻並不多,有時不同領域的物理學家會重複使用同一個。

“人們十分看好的許多標準模型擴展——比如超弦理論和其他許多理論——都會自然地導向(大爆炸後)暴脹產生的宇宙弦,”埃爾南德斯說,“所以我們得到了一個被很多模型預測的東西,如果它們不存在,那麼所有這些模型都會被排除。”而如果我們能找到這些宇宙弦,那將是令人興奮的發現。

埃爾南德斯等研究者在11月18日發表於arXiv數據庫的論文中寫道,自2017年以來,人們對在宇宙微波背景中尋找宇宙弦產生了濃厚的興趣。

包括赫爾南德斯在內的一些研究者曾認為,卷積神經網絡——一種強大的模式識別軟件——將是發現宇宙微波背景中宇宙弦結構證據的最佳工具。他們在2017年的另一篇論文中寫道,假設有一張完美的、無噪聲的宇宙微波背景輻射圖,那麼即使其能量水平(或“張力”)非常低,我們也有可能通過運行這種神經網絡的計算機找到宇宙弦。

然而,在這篇2019年的新論文中,他們再次討論了這個主題,並且指出,在現實中,幾乎肯定不可能為神經網絡提供足夠清晰的宇宙微波背景數據,來檢測這些潛在的宇宙弦。其他更亮的微波源會使宇宙微波背景模糊不清,難以完全分離。即使是目前最好的微波儀器也不夠完美,分辨率有限,其記錄精度也會隨像素的變化而隨機波動。研究人員寫道,他們發現所有這些因素加在一起,會造成一定程度的信息丟失,而任何當前或計劃中記錄和分析宇宙微波背景的方法都無法克服這個問題。這種尋找宇宙弦的方法是行不通的。

但他們也寫道,這並不意味著一切就此結束。尋找宇宙弦的新方法之一,是基於測量宇宙在宇宙古代部分各個方向的膨脹。埃爾南德斯表示,這種被稱為“21厘米強度測繪”(21 centimeter intensity mapping)的方法不依賴於研究單個星系的運動,也不依賴於宇宙微波背景的精確圖像。相反,它是基於在深空的所有部分測量氫原子離開地球的平均速度。

之所以稱為“21厘米強度測繪”,是因為氫原子會釋放出21厘米波長的電磁能量。目前地球上還沒有能實施這一方法的天文台。研究人員表示,一旦有足夠探測能力的天文台上線,他們就有希望在數據中找到宇宙弦的更清晰證據,屆時距離宇宙弦的發現就不遠了。