什么是宇宙弦？它和弦理论有什么关系？（文字版）

Linvo说宇宙

2024-09-30 18:00发布于天津科普领域创作者

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什么是宇宙弦？它和弦理论有什么关系？
弦理论相信你早有耳闻，它是一套致力于解决包括引力量子化在内所有物理问题、最终将四大基本力完全统一的终极理论，也叫万物理论（ToE）。和基于量子力学的粒子物理不同，弦理论最大的特点就是，它把所有基本粒子不再视为没有体积的质点，而是一维的弦，那些基本粒子只是这些弦不同的振动和运动方式。
作为被人类“提前发现”的一套理论，目前的弦理论不仅缺乏实验检验，同时理论本身也很粗糙。就像达文西的“要你命3000”，目前的弦论基本上算是个基于数学的东拼西凑的半成品，而非一套完善的物理理论。

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尽管如此，弦理论仍然被视为最有希望成为万物理论的理论，因此也有不少人希望能用它来解决一些当今物理学无法解决的问题，其中也包括许多宇宙学问题。然而关于宇宙弦，它起初和弦理论并没有直接关系，当时称它为“弦”更多是种巧合。
上世纪70年代，当时弦论还未见雏形，此时英国物理学家汤姆·基博尔（Tom Kibble）提出了一种闻所未闻见所未见的宇宙结构。该结构会随着时间不断变长，如今的它可能已经和可观测宇宙半径相当。构成这些庞然大物的不是普通物质，也不是暗物质，但是由于能够辐射引力波，因此它会对前两者产生影响，甚至可能还会左右整个宇宙的演化。

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当时的人们（包括汤姆自己）并不相信我们会在宇宙中发现这种东西，它更多是基于纯理论的一种猜想。
这个汤姆他的专业领域是量子场论，平时经常研究相变、拓扑缺陷、对称性破缺什么的，同时对宇宙学（尤其是早期宇宙）也十分感兴趣。
他发现目前的规范理论已经能够解释很多东西，如果该理论是正确的，那么按照推测，宇宙早期的自发对称性破缺将会导致真空发生相变。
相变其实就是物质从一种状态转变为另一种状态的过程。比如说当温度足够低，水就会从液态转变成固态的冰。同理，对空间来说它的状态也可以发生改变，这对应的就是真空相变。
当真空发生相变时，通常意味着空间的最低能级发生了变化。它会改变粒子的质量、电荷等基本属性，同时会对引力、电磁力等基本相互作用的表现形式产生影响，甚至会导致很多物理规律发生变化。

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真空相变并非完美，在相变过程中可能会产生一些拓扑缺陷。就像水变冰会产生裂缝一样，真空相变产生的瑕疵也会带来一些特殊的现象，比如产生磁单极子以及今天我们介绍的宇宙弦。
宇宙弦是一种一维的线性“物体”，因为它的直径几乎和一个质子差不多，但它的长度可以被拉得非常长，长到天文甚至是宇宙尺度。
所以，整体上看宇宙弦是条非常非常长，但又非常非常细的细丝。虽然细如丝（应该说比丝还要细），但它蕴含的能量惊人，有着惊人的能量密度：一公里宇宙弦的等效质量甚至超过了整个地球！这么来看，一条光年尺度的宇宙弦要产生可被探测到的引力波也不是没有可能。
从汤姆首次预言宇宙弦的存在到现在已经过去了将近半个世纪，在这期间“宇宙弦”这一概念也被越来越多的物理学家注意到，尤其是弦论学家。
“不就是弦嘛，这玩意儿我熟啊！”
不同于先前基于量子场论的推导，弦论学家们直接从超弦理论出发，推导出在某些场景下弦论中的基本弦或D1-弦可以被视为宇宙弦。基本弦就是弦论中常说的开弦和闭弦；D1-弦则和弦论中的“膜”有关：“D”指的就是固定开弦端点的D膜（Dirichlet膜），而“1”指的就是一维空间。
你可能会说：“果然是‘玄论’，越说越玄了。”那这个宇宙弦到底存不存在呢？
虽然早年间科学家并不相信我们能在宇宙中发现宇宙弦，但是经过几十年的发展，现如今在某些方面确实出现过一些疑似的间接证据。
比如在引力透镜方面，宇宙弦导致的引力透镜效应往往有一些独特的地方。当宇宙弦是一条直线时，理论上它能产生两个对称且未经扭曲的像。比如1979年，天文学家曾发现过一对特殊的“双类星体（Q0957+561A,B）”。

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2003年，天文学家还发现两个看起来完全相同的星系（CSL-1），并且还挨得非常近。这些现象都曾一度被认为是前景中宇宙弦的引力导致的透镜像。可惜后来这些可能性都被排除了，它们要么是前景星系和星系团导致的引力透镜像，要么完全就是两个非常相似的星系而已。
后来物理学家认为，宇宙弦它不一定是笔直的，也有可能是弯曲的。这种情况产生的图像虽然不对称，但是它与普通天体产生的透镜像仍然有所区别。不过目前我们还没有发现十分符合特征的案例。
除了引力透镜，宇宙弦在解释宇宙微波背景（CMB）的各向异性方面也受到了不少人的关注。理论上的背景辐射理应非常均匀，但是实际中却不是这样。科学家认为，宇宙弦的引力可以影响宇宙中物质的大规模聚集，背景辐射的这种不均匀性可能就是受到了宇宙弦的影响。这种影响除了能反映在宇宙微波背景上，它还会对之后星系和星系团的分布产生影响。
不过通过普朗克卫星对背景辐射的高精度测量，科学家计算后认为，即使宇宙弦真的存在，以目前的情况，它对背景辐射各向异性的贡献度尚不足10%。包括上回我们说的巨弧和巨环，宇宙弦在星系和星系团分布方面的影响似乎也很有限。
现如今，最支持宇宙弦的证据应该要说是去年（2023年）的新进展——nHz引力波的发现。借助脉冲星计时阵列科学家发现，我们的宇宙中一直弥漫着各种频率极低、波长可以达到光年尺度的引力波。科学家认为，这些引力波要么来自超大质量黑洞或者是原初黑洞的合并，要么是早期宇宙的某种现象，比如说宇宙弦。
种种这些说明一个问题：和弦理论中的弦相比，宇宙弦这东西由于偏宏观，所以更容易被观测到。它不像弦理论那么偏数学，对于宇宙弦，我们可以更多地从物理角度进行探索。
需要注意的是，虽然目前已经有了一些关于宇宙弦的理论以及观测上的探索，但那些仍然只是非常粗浅的尝试。宇宙对于人类而言，仍存在数不尽的未解之谜，但人类探索宇宙的脚步也永远不会停歇。 

[1] T W B Kibble. Topology of cosmic domains and strings. Journal of Physics A: Mathematical and General. 9(8):1387 (1976)

[2] Bulygin, I.I., Sazhin, M.V. & Sazhina, O.S. Theory of gravitational lensing on a curved cosmic string. Eur. Phys. J. C 83, 844 (2023)

[3] Michele Cicoli, Joseph P. Conlon. et al. String cosmology: From the early universe to today. Physics Reports. 1059:1-155 (2024) 

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