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反物质之谜、宇宙起源、时空旅行……这些都和神秘的“宇宙弦”有关?

2020-03-13 16:49 前瞻网   

 

反物质之谜、宇宙起源、时空旅行……这些都和神秘的“宇宙弦”有关?

存在还是不存在?为什么我们的宇宙(从原子、中子到黑洞)会存在?这似乎是一个不成问题的问题,看起来像哲学家们形而上学的追根究底,但其着实是一个科学“问题”。

目前,最广为人们所接受的关于宇宙起源的是大爆炸理论。该理论中,宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的。大爆炸后不久,宇宙膨胀拉伸了我们宇宙的微小种子,并将能量转化为物质。

物理学家认为,膨胀最初产生了等量的物质和反物质,它们在接触时相互湮灭。

但后来发生了一件事,使天平向物质方向倾斜,让现在我们能看到和触摸到的一切都成为了存在——一项新的研究表明,这其中的原因可能隐藏在一种时空中非常细微的涟漪中。

天平是如何倾斜的?

物质和反物质是相互对立的,相等但电荷相反。反物质是反粒子概念的延伸,目前科学界已经发现了300多种基本粒子,都是正反成对存在,这揭示了反物质存在的可能性。

2010年11月17日,欧洲研究人员在科学史上首次成功'抓住'微量反物质。自那时起,反物质逐渐揭开了其神秘的面纱。

回到宇宙起源问题上。这项研究的主要作者、加州大学伯克利分校博士后研究员、劳伦斯·伯克利国家实验室物理研究员Jeff Dror举例说明:“如果你一开始只有相同分量的物质和反物质,最终你会得不到任何东西。一切都会湮灭。”

显然,我们的宇宙仍然存在,但研究人员尚不确定这是为什么,在宇宙起源之初究竟发生了什么打破了天平的平衡。

答案可能涉及到一种被称为中微子的非常奇怪的基本粒子,它们不带电荷,因此既可以作为物质也可以作为反物质。

一种观点认为,大爆炸后大约100万年,宇宙冷却并经历了相变,这一过程类似于沸水将液体转化为气体的过程。

Dror说,这种相位变化促使衰变的中微子产生的物质比反物质多出“一点点”。

但是“没有非常简单的方法——或者几乎任何方法——来探究(这个理论),并了解它是否真的发生在早期宇宙中。”

不过,Dror和他的团队,通过理论模型和计算,找到了一种我们可以看到相变的方法。他们提出,这种变化将会产生极长极细的被称为“宇宙弦”的能量线,这些能量线时至今日仍然遍布宇宙。

这项研究结果发表在1月28日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

Dror和他的团队意识到这些宇宙弦极有可能在时空中产生非常微小的涟漪,即引力波。探测这些引力波,我们就能发现这个理论是否正确。

宇宙弦:不止关于宇宙起源

关于“宇宙弦”的理论实际上早已有之。比起宇宙起源来讲,还是与它有关的另一个概念比较吸引人些:时空旅行。

宇宙弦被认为是在宇宙相变、进行极大冷却后所产生的,可能存在于气泡和时空结构的裂缝之间的边界上。

宇宙弦是很难想象的物体,蒙特利尔麦吉尔大学的物理学家和Oscar Hernandez表示,但在我们的世界里,它们也有相似之处。

“你在结冰的湖面上走过吗?”你注意到结冰的湖面上有裂缝吗?它仍然很坚固。没有什么可怕的,但是确实有裂缝。”Hernandez表示。

宇宙弦被认为将会非常纤细,直径和质子一样。然而,它们有着巨大的密度,这表示它们也是重要的引力源。一根1.6公里长的宇宙弦可能比地球还重。

然而,广义相对论预测,一条直线的引力势会消失:在静止的周围物质上没有引力。直线宇宙弦的唯一引力效应是物质(或光)通过相反方向弦的相对偏转(纯粹的拓扑效应)。

一些科学家建议使用“宇宙弦”来建造一台时间机器。通过操纵两根宇宙弦靠近——或者可能只是一根弦加上一个黑洞——理论上有可能创造出一整套“闭合的类时曲线”。

如果你以极高的速度发射两根无限长的宇宙弦,然后让飞船以一个精心计算的数字8绕着它们飞行,理论上,你就可以出现在任何时间,任何地点。

踪迹渺茫?

宇宙中最强的引力波发生在超新星或恒星爆炸的时候、当两颗大恒星相互环绕的时候,或者当两个黑洞合并时。但由宇宙弦引起的引力波比人类的仪器以前探测到的要小得多,这使其变得极为难以探测。

此前,也有一些物理学家认为,在宇宙微波背景辐射(CMB)中,我们可能仍能找到这些被称为“宇宙弦”的裂缝或缺陷的证据。

Hernandez曾在2017年发表论文表示,假设有一张完美的、无噪声的宇宙微波背景辐射图,运行这种神经网络的计算机应该能够找到宇宙弦,即使它们的能量水平(或“张力”)非常低。

但他随即又在2019年指出,这个证据太微弱了,任何望远镜都无法分辨出噪音。

但他们后来再次讨论了这个想法,他们指出,在现实中,几乎肯定不可能为神经网络提供足够干净的CMB数据来检测这些潜在的弦。其他更亮的微波源使CMB模糊不清,难以完全分辨。他们认为,诸多局限因素加在一起,使得这种寻找宇宙弦的方法是行不通的。

不过,他们又提出了一种新的寻找方法,即基于测量宇宙在宇宙古代部分的各个方向的膨胀。这种被称为21厘米强度映射的方法,它不依赖于研究单个星系的运动,也不依赖于CMB的精确图像。相反,它是基于测量氢原子离开地球的平均速度。

Dror研究小组则在模拟在不同温度条件下可能发生的相变时有了一个令人鼓舞的发现:他们将希望寄托于未来。

在任何情况下,宇宙弦都会产生引力波,这些引力波有望被正在建设中的一些新天文台探测到,比如欧洲航天局的激光干涉太空天线(LISA)和拟议中的大爆炸观测者(Big Bang Observer)以及日本航空宇宙探索署(Japan Aerospace Exploration Agency)的Deci-hertz干涉引力波观测站(DECIGO)。

没有参与这项研究的亚利桑那州立大学的理论物理学家Tanmay Vachaspati也同意这个说法,他认为,如果这些弦以足够高的能量尺度产生,它们确实会产生引力波,有望在未来被探测到。

如果真是如此,那么人类距离解开这种神秘的“宇宙弦”之谜将仅有一步之遥。

参考资料:

https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-string-gravitational-waves-could-solve-antimatter-mystery/

https://www.realclearscience.com/articles/2019/11/28/there_might_be_cracks_in_spacetime_111202.html

https://andersoninstitute.com/cosmic-strings.html

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责任编辑: 3976DBC

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