宇宙中的这些裂缝如果存在的话,很可能是大爆炸后极短时间里的残余

文章作者:管理一号 | 2019-12-04
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宇宙中的这些裂缝如果存在的话,很可能是大爆炸后极短时间里的残余

  北京时刻12月4日音讯,时空中或许存在着“裂缝”,但人类的望远镜还无法看到它们。这些陈旧的裂缝(假如的确存在的话)是大爆炸后极短时刻里的残余,当时世界刚刚从一个更火热、更生疏的状态,向我们今日看到的更冷、更熟悉的状态改变。一项新理论称,这场被物理学家称为“相变”的大冷却,在世界中发生的时刻并不一致,某些地方要比其他地方开始得更早。更冷的世界部分形成气泡,并在空间中扩张,直到它们遇到其他气泡。终究,一切的空间都发生了改变,原来的世界消失了。

  但是,这种古老的高能状况或许存在于气泡之间的鸿沟,时空结构的冷却区域在这里相遇,并没有彻底交融在一起,从而形成了裂缝。一些物理学家认为,在世界微波背景辐射(CMB)中,我们或许仍能发现一些依据,表明这些被称为“世界弦”的裂缝或瑕疵的存在。不过,一篇新论文指出,这个依据太微弱了,任何望远镜都无法将其与噪音分辩出来。

  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)表明,宇宙弦是很难幻想的物体,但在我们了解的世界里,也能够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?湖面仍然很巩固,没有什么可怕的,可是也存在裂缝。”

  这些裂缝的构成进程就类似于宇宙弦的相变进程。“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,然后在某个当地,它们突然开端构成晶体……水分子开端衔接成片,一般呈六边形。现在,幻想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,又有人开端铺瓷砖的话,那你的瓷砖能排成一行的时机基本上为零。”

  在结冰的湖面上,不完美的交汇处会构成长长的裂缝。在时空交错的结构中,如果基础物理理论是正确的话,就可能会构成世界弦。研究人员以为,太空中存在着决定根本力和粒子行为的场。世界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,它有必要‘选择一个冻住和冷却的方向’。而且因为世界真的很大,在世界的不同部分,这个场会选择不同的方向,”赫尔南德斯说,“现在,假如这个场符合某些条件……那么当世界冷却下来时,就会有不接连的线,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方式出现,穿过宇宙空间。埃尔南德斯指出,发现这些宇宙弦的意义严重,因为它们将成为新的依据,证明物理学比当时模型所允许的更大、更复杂。

  现在,最先进的粒子物理学理论被称为规范模型。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。

  但是,尽管能解释许多独特的现象,但大多数物理学家仍以为规范模型是不完整的。研究人员提出了许多扩展该模型的想法,比方超对称粒子和超弦理论。超弦理论以为,所有的粒子和力都可以解释为细小的、多维的“弦”的振荡。值得注意的是,超弦理论中的“弦”与世界“弦”是不同的。因为可用的比喻并不多,有时不同范畴的物理学家会重复使用同一个。

  “人们非常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)暴胀产生的世界弦,”埃尔南德斯说,“所以咱们得到了一个被许多模型预测的东西,如果它们不存在,那么所有这些模型都会被扫除。”而如果咱们能找到这些世界弦,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,人们对在世界微波布景中寻觅世界弦产生了稠密的爱好。

  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——将是发现世界微波背景中世界弦结构证据的最佳东西。他们在2017年的另一篇论文中写道,假设有一张完美的、无噪声的世界微波背景辐射图,那么即使其能量水平(或“张力”)非常低,我们也有可能通过运转这种神经网络的计算机找到世界弦。

  然而,在这篇2019年的新论文中,他们再次讨论了这个主题,而且指出,在实际中,简直肯定不可能为神经网络供给足够清晰的世界微波布景数据,来检测这些潜在的世界弦。其他更亮的微波源会使世界微波布景模糊不清,难以完全别离。即使是现在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动摇。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,而任何当时或计划中记录和剖析世界微波布景的办法都无法战胜这个问题。这种寻找世界弦的办法是行不通的。

  但他们也写道,这并不意味着一切就此结束。寻觅世界弦的新办法之一,是根据测量世界在世界古代部分各个方向的胀大。埃尔南德斯表示,这种被称为“21厘米强度测绘”(21 centimeter intensity mapping)的办法不依赖于研究单个星系的运动,也不依赖于世界微波背景的准确图画。相反,它是根据在深空的一切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施行这一方法的天文台。研究人员表明,一旦有足够勘探能力的天文台上线,他们就有希望在数据中找到宇宙弦的更清晰依据,到时间隔宇宙弦的发现就不远了。

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