宇宙中可能有"裂缝"：从地球上还无法观测到的宇宙弦
北京时间12月4日消息，时空中可能存在着“裂缝”，但人类的望远镜还无法看到它们。这些古老的裂缝（如果确实存在的话）是大爆炸后极短时间里的残余，当时宇宙刚刚从一个更炽热、更陌生的状态，向我们今天看到的更冷、更熟悉的状态转变。一项新理论称，这场被物理学家称为“相变”的大冷却，在宇宙中发生的时间并不一致，某些地方要比其他地方开始得更早。更冷的宇宙部分形成气泡，并在空间中扩张，直到它们遇到其他气泡。最终，所有的空间都发生了转变，原来的宇宙消失了。
然而，这种古老的高能状态可能存在于气泡之间的边界，时空结构的冷却区域在这里相遇，并没有完全融合在一起，从而形成了裂缝。一些物理学家认为，在宇宙微波背景辐射（CMB）中，我们可能仍能发现一些证据，表明这些被称为“宇宙弦”的裂缝或瑕疵的存在。不过，一篇新论文指出，这个证据太微弱了，任何望远镜都无法将其与噪音分辨出来。
论文作者之一、加拿大蒙麦吉尔大学的物理学家奥斯卡·赫尔南德斯（Oscar Hernandez）表示，宇宙弦是很难想象的物体，但在我们熟悉的世界里，也可以找到一些类比的东西。他说：“你有没有在结冰的湖面上走过？你会注意到结冰的湖面上有裂缝吗？湖面依然很坚固，没有什么可怕的，但是也存在裂缝。”
这些裂缝的形成过程就类似于宇宙弦的相变过程。“冰是经过相变的水，”赫尔南德斯说，“水分子以液体的形式自由移动，然后在某个地方，它们突然开始形成晶体……水分子开始连接成片，一般呈六边形。现在，想象你用一片片完美的六边形瓷砖来铺在湖面上。如果在湖的另一端，又有人开始铺瓷砖的话，那你的瓷砖能排成一行的机会基本上为零。”
在结冰的湖面上，不完美的交汇处会形成长长的裂缝。在时空交织的结构中，如果基础物理理论是正确的话，就可能会形成宇宙弦。研究人员认为，太空中存在着决定基本力和粒子行为的场。宇宙最初的相变产生了这些场。
“可能存在一个与某种粒子有关的场，在某种意义上，它必须‘选择一个冻结和冷却的方向’。而且因为宇宙真的很大，在宇宙的不同部分，这个场会选择不同的方向，”赫尔南德斯说，“现在，如果这个场符合某些条件……那么当宇宙冷却下来时，就会有不连续的线，就会有无法冷却的能量线。”
今天，这些交会点将以无限细的能量线的形式出现，穿过宇宙空间。埃尔南德斯指出，发现这些宇宙弦的意义重大，因为它们将成为新的证据，证明物理学比当前模型所允许的更大、更复杂。
目前，最先进的粒子物理学理论被称为标准模型。该模型包括了组成原子的夸克和电子，以及其他更奇特的粒子，如希格斯玻色子和中微子。
然而，尽管能解释许多奇特的现象，但大多数物理学家仍认为标准模型是不完整的。研究人员提出了许多扩展该模型的想法，比如超对称粒子和超弦理论。超弦理论认为，所有的粒子和力都可以解释为微小的、多维的“弦”的振动。值得注意的是，超弦理论中的“弦”与宇宙“弦”是不同的。由于可用的比喻并不多，有时不同领域的物理学家会重复使用同一个。
“人们十分看好的许多标准模型扩展——比如超弦理论和其他许多理论——都会自然地导向（大爆炸后）暴胀产生的宇宙弦，”埃尔南德斯说，“所以我们得到了一个被很多模型预测的东西，如果它们不存在，那么所有这些模型都会被排除。”而如果我们能找到这些宇宙弦，那将是令人兴奋的发现。
埃尔南德斯等研究者在11月18日发表于arXiv数据库的论文中写道，自2017年以来，人们对在宇宙微波背景中寻找宇宙弦产生了浓厚的兴趣。
包括赫尔南德斯在内的一些研究者曾认为，卷积神经网络——一种强大的模式识别软件——将是发现宇宙微波背景中宇宙弦结构证据的最佳工具。他们在2017年的另一篇论文中写道，假设有一张完美的、无噪声的宇宙微波背景辐射图，那么即使其能量水平（或“张力”）非常低，我们也有可能通过运行这种神经网络的计算机找到宇宙弦。
然而，在这篇2019年的新论文中，他们再次讨论了这个主题，并且指出，在现实中，几乎肯定不可能为神经网络提供足够清晰的宇宙微波背景数据，来检测这些潜在的宇宙弦。其他更亮的微波源会使宇宙微波背景模糊不清，难以完全分离。即使是目前最好的微波仪器也不够完美，分辨率有限，其记录精度也会随像素的变化而随机波动。研究人员写道，他们发现所有这些因素加在一起，会造成一定程度的信息丢失，而任何当前或计划中记录和分析宇宙微波背景的方法都无法克服这个问题。这种寻找宇宙弦的方法是行不通的。
但他们也写道，这并不意味着一切就此结束。寻找宇宙弦的新方法之一，是基于测量宇宙在宇宙古代部分各个方向的膨胀。埃尔南德斯表示，这种被称为“21厘米强度测绘”（21 centimeter intensity mapping）的方法不依赖于研究单个星系的运动，也不依赖于宇宙微波背景的精确图像。相反，它是基于在深空的所有部分测量氢原子离开地球的平均速度。
之所以称为“21厘米强度测绘”，是因为氢原子会释放出21厘米波长的电磁能量。目前地球上还没有能实施这一方法的天文台。研究人员表示，一旦有足够探测能力的天文台上线，他们就有希望在数据中找到宇宙弦的更清晰证据，届时距离宇宙弦的发现就不远了。
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