塑造了宇宙的“弦”

岑夫子

在希臘神話中，有一個叫俄耳甫斯的音樂天才。據(jù)說他的琴藝已高超到了出神入化的地步。有一次，他撥動琴弦，石頭都紛紛飛起，自動筑成一座城池。

話說在宇宙中也有一種“弦”，對于塑造今日的宇宙是不可或缺的，叫宇宙弦。

宇宙弦是理論上預(yù)言、但迄今尚未發(fā)現(xiàn)的一種奇特天體。它很長，幾乎貫穿整個可見宇宙；它又非常細(xì)，一根典型的宇宙弦，直徑比氫原子半徑的萬億分之一還?。湓影霃脚c乒乓球半徑之比，幾乎等于乒乓球半徑與地球半徑之比）。它是如此細(xì)長，你幾乎可以把它當(dāng)作一維的物體看待。然而它的密度非常大，一根長10千米的宇宙弦就重達(dá)一個地球的質(zhì)量！可以想象，密度如此之大的天體，具有非常強(qiáng)大的引力。

宇宙的相變

為何要預(yù)言這樣一種古怪的天體？這一切說來話長。

讓我們逆著時光，追溯到宇宙大爆炸之后不到0.01秒的那一瞬。雖然那時宇宙的溫度依然很高，但與之前相比，還是降低了不少，因?yàn)橛钪孀哉Q生以來一直在冷卻。

冷卻的過程必然伴隨著物質(zhì)形態(tài)和性質(zhì)的變化，即通常所說的相變。日常生活中，最典型的是水的相變。隨著溫度降低，我們看到水發(fā)生連續(xù)的相變，在相變時，其性質(zhì)發(fā)生了激烈的變化：先是氣態(tài)，然后液態(tài)，最后又變成固態(tài)。

你可能注意到了，液態(tài)的水比固態(tài)的冰具有更多的對稱性。為什么呢？假如你站在液態(tài)水的一個水分子上，不管朝哪個方向看，看起來都是一樣的。換句話說，液態(tài)的水沒有一個特殊的方向。我們說它是球?qū)ΨQ的。而固態(tài)的冰在所有方向上就不再無差別的了。你要是站在冰晶的一個水分子上看，你會發(fā)現(xiàn)，水分子在沿著晶格的方向上，排列更加齊整。晶格方向是它的對稱軸，冰晶具有軸對稱。

顯然，球?qū)ΨQ比軸對稱有著更多的對稱性。當(dāng)物質(zhì)從有著更多對稱性的狀態(tài)進(jìn)入較少對稱性的狀態(tài)，我們就說“對稱性破缺”了。液態(tài)水變成固態(tài)冰，就是對稱性破缺的一個例子。

宇宙的冷卻也是對稱性不斷發(fā)生破缺的過程。根據(jù)大統(tǒng)一理論，在宇宙最早期，四種基本作用力——引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力——是彼此不分的，然后經(jīng)歷了一系列的相變，大家先后從“大統(tǒng)一”的狀態(tài)中分離出來。伴隨這一過程，物質(zhì)的形態(tài)發(fā)生了激烈的變化。最終結(jié)果是，到了大爆炸之后0.01秒，終于變出了我們今天所熟悉的質(zhì)子、中子、電子等組成普通物質(zhì)的粒子。

宇宙相變的“殘留物”

宇宙相變還會產(chǎn)生一些副產(chǎn)品。宇宙學(xué)家預(yù)言，當(dāng)相變涉及宇宙這么大范圍的時候，有些缺陷是不可避免要產(chǎn)生的。它們叫“拓?fù)淙毕荨?。關(guān)于這個，我們也可以在生活中找到例子。

冬天氣溫驟降，湖面結(jié)起厚厚的冰。假如你在冰面上行走，會發(fā)現(xiàn)冰面并非完整的一塊，這里那里總有一些裂縫。為什么呢？因?yàn)楫?dāng)氣溫下降時，由于每塊水域的自然條件存在差異，導(dǎo)致結(jié)冰有先后，而且各自為陣。比如某塊水域以A為中心結(jié)冰，而另一塊水域以B為中心結(jié)冰，每一塊都在膨脹、擴(kuò)張，直到它們相撞為止。其結(jié)果是，在交界處，以A為中心的冰塊跟以B為中心的冰塊不能很好地銜接（譬如晶格的朝向不一致），于是裂縫就產(chǎn)生了。

再比如鐵氧體磁化的時候，也會出現(xiàn)小范圍內(nèi)各自為陣的現(xiàn)象。某一小塊區(qū)域內(nèi)的原子朝向固然已被調(diào)整到一致了，換句話說，已經(jīng)被磁化了（這樣被磁化的小塊區(qū)域叫磁疇）。但這些磁疇各自為陣，朝向相當(dāng)混亂，所以整塊鐵氧體依然顯不出磁性。在相鄰磁疇交界處，由于原子的朝向不一致，削弱了磁性，從而形成疇壁。只有消除了疇壁，所有原子的朝向都一致了，鐵氧體才算真正被磁化

這些冰面上的裂縫、鐵氧體上的疇壁，被稱為相變產(chǎn)生的拓?fù)淙毕荨?/p>

為什么說宇宙在相變時，拓?fù)淙毕莸漠a(chǎn)生是不可避免的呢？道理也一樣：宇宙在冷卻時，各個區(qū)域也是各自為陣的。第一，因?yàn)橛钪姹緛砭蜎]有中心，沒有統(tǒng)一的“指揮部”；第二，因?yàn)橐胱尭鱾€區(qū)域協(xié)調(diào)一致，得有“信使”（即作用力）在彼此之間傳遞消息，可是作用力傳遞的速度無法超越光速，不可能無限快，再快的“溝通”也總是滯后的。這樣一來，拓?fù)淙毕菥兔獠涣艘a(chǎn)生。在缺陷結(jié)構(gòu)中，能量或物質(zhì)相對集中，演化出一些怪異的天體，包括疇壁、單極子等，而最重要的，則是本文的主角——宇宙弦。

宇宙弦的演化

宇宙弦產(chǎn)生之后，又經(jīng)歷了一系列的演化。其演化由三個要素決定：宇宙膨脹、宇宙弦的交叉和引力輻射。

首先，宇宙弦將隨著宇宙的膨脹而被拉長，這好比畫在氣球表面的一條線，氣球膨脹，線也被拉長。

其次，宇宙弦在宇宙早期應(yīng)該大量存在，形成一張覆蓋全宇宙的網(wǎng)絡(luò)。由于每根宇宙弦的密度都大得驚人，當(dāng)兩根宇宙弦相遇，就會在強(qiáng)大引力的作用下，振動、交叉。交叉時，發(fā)生形變，一部分獨(dú)立成環(huán)，其余形成新的宇宙弦（下圖a）。此外，因?yàn)橛钪嫦矣旨?xì)又長，導(dǎo)致各部分受力（其他天體對它的引力）不均勻，一直在劇烈地振動，所以自身也會發(fā)生交叉。交叉時，形成獨(dú)立的宇宙環(huán)和新的宇宙弦（下圖b）。

最后，宇宙弦和宇宙環(huán)由于質(zhì)量巨大，且在不停振動，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波輻射，在輻射中損失能量。所以宇宙弦隨著時間的推移會縮短，宇宙環(huán)則因?yàn)檎駝痈鼊×遥瑫耆舭l(fā)。

這一切總的效果是：盡管宇宙弦在宇宙誕生之初是很多、很密的，但隨著它們相互交叉或自身交叉，形成宇宙環(huán)，宇宙環(huán)又因劇烈振蕩，輻射引力波而不斷消失，所以宇宙弦和宇宙環(huán)隨著宇宙的膨脹，變得越來越稀疏。計(jì)算機(jī)模擬表明，到今天，在可見的宇宙范圍內(nèi)，大概僅存10根貫穿整個宇宙的長宇宙弦，以及大約1千多個小宇宙環(huán)。

宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的

“種子”

長期以來，天文學(xué)家一致認(rèn)為，宇宙物質(zhì)的分布（比如星系的分布）在大尺度上應(yīng)該是均勻的，并把這上升為一條“宇宙學(xué)原理”。

但隨著觀測技術(shù)的不斷提高，他們發(fā)現(xiàn)，在宇宙三維圖中，滿布著“空洞”和“長城”，宇宙物質(zhì)的分布遠(yuǎn)非均勻。所謂的“空洞”，是指那里的星系比別處要稀少得多；所謂的“長城”，是指星系比別處要密集得多的地方。這些宇宙大尺度結(jié)構(gòu)到底是怎么來的呢？一時讓人困惑莫解（見本刊2017年第10期《從大尺度看宇宙》一文）。

從傳統(tǒng)宇宙學(xué)角度，當(dāng)前對此有兩種解釋。

一種解釋認(rèn)為，這是宇宙早期物質(zhì)漲落被放大的結(jié)果：宇宙誕生之初，雖然物質(zhì)總體來說是均勻分布的，但由于不可避免的漲落，也可能出現(xiàn)這個地方物質(zhì)多一點(diǎn)，那個地方物質(zhì)少一點(diǎn)的現(xiàn)象。本來，物質(zhì)交換頻繁的話，漲落是旋生旋滅，不能持久的，難以形成任何結(jié)構(gòu)。但此時，一件意外的事情——暴脹——發(fā)生了。宇宙在大約短短10-30秒內(nèi)，體積膨脹了大約1026倍，由一個氫原子大小膨脹到一個柚子般大小。暴脹時，宇宙物質(zhì)迅速分離。這樣一來，由于物質(zhì)來不及交換，暴脹前的漲落格局就得以保存下來。這些被暴脹放大了的宇宙早期的物質(zhì)漲落，就是后來形成大尺度結(jié)構(gòu)的“種子”。

另一種解釋，就是作為宇宙相變副產(chǎn)品的拓?fù)淙毕?，尤其是宇宙弦。這些拓?fù)淙毕荼緛砜缍染秃艽?，而且它們的出現(xiàn)是必然的，所以只要在一段時間內(nèi)被保存下來，就可成為搭建宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的“腳手架”。比如宇宙弦憑借其強(qiáng)大的引力，把周圍物質(zhì)吸引到其身邊，孕育出恒星、星系，由此形成跨度極大的宇宙“長城”。宇宙環(huán)也是如此，在其消失之前，把星際物質(zhì)吸引到其周圍，孕育出超星系團(tuán)之類的大尺度結(jié)構(gòu)。這正是今天的宇宙學(xué)家對它們感興趣的地方。

尋找宇宙弦

宇宙弦盡管對于塑造宇宙如此重要，遺憾的是，我們至今依然沒有直接觀測到它們，甚至在微波背景輻射中，也沒有尋找到蛛絲馬跡。但最近，有科學(xué)家聲稱，他們找到了證明它們存在的間接證據(jù)。

在天空中存在一類異常明亮的天體，叫類星體。據(jù)認(rèn)為，類星體中心盤踞著超大質(zhì)量的黑洞。類星體會在某個特殊的方向上產(chǎn)生極強(qiáng)、極明亮的噴流，天文學(xué)家據(jù)此可以識別它們。

美國布法羅大學(xué)的一個小組在研究了宇宙縱深處355顆類星體之后發(fā)現(xiàn)，其中183顆類星體的噴流朝向在天空中剛好排列成一個巨型的環(huán)狀。他們猜測，在這個巨型環(huán)的位置上，很可能最初有兩條宇宙弦發(fā)生了交叉，生下一個宇宙環(huán)，正是這個宇宙環(huán)影響了噴流的朝向。雖然后來它蒸發(fā)了，但噴流有規(guī)則的排列卻保留了下來。進(jìn)一步的計(jì)算機(jī)模擬似乎也印證了他們的猜測。

此弦亦彼弦？

最后，順便提一下宇宙弦和超弦的關(guān)系。

在粒子物理學(xué)中，超弦理論曾經(jīng)風(fēng)靡一時。該理論認(rèn)為，所有基本粒子其實(shí)是同一種物質(zhì)在不同狀態(tài)下的表現(xiàn)，這種基本物質(zhì)就是弦。比如說電子，現(xiàn)在的基本粒子理論假設(shè)它是沒有內(nèi)部構(gòu)造的一個點(diǎn)。但從超弦理論來看，電子并不是一個點(diǎn)，而是一個極小、極細(xì)的一維閉合弦。弦可以以不同方式振動。就像小提琴弦在不同的振動下會發(fā)出不同音調(diào)的聲音一樣，弦的不同振動模式表現(xiàn)為各種形態(tài)的基本粒子。超弦理論甚至認(rèn)為，各種基本作用力，也是弦的不同振動模式而已，這樣一來。超弦理論就實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)家夢寐以求的“大統(tǒng)一”。

這里且不談超弦理論的正確與否，只談?wù)動钪嫦液统业年P(guān)系。

最初，大家認(rèn)為兩者毫無關(guān)系，此弦非彼弦。但后來有人提出，兩者或許是有關(guān)系的。

前面提到的宇宙弦，是宇宙相變中產(chǎn)生的一種拓?fù)淙毕?。?002年有人提出，假如我們認(rèn)同超弦理論的觀點(diǎn)，那么在宇宙的“大統(tǒng)一”時期，宇宙（那時比一個質(zhì)子還?。┲袘?yīng)該充斥著無數(shù)微小的超弦。一部分弦在宇宙膨脹的過程中，同樣可以被拉伸成跨星系的大尺度的弦，而且表現(xiàn)出跟宇宙弦相似的特征。

如果是這樣的話，宇宙弦除了宇宙相變的起源，又多了一種起源：被拉伸的超弦。