宇宙解码 – 宇宙被无形弦的蜘蛛网网络淹没

　　如果我告诉您，我们的宇宙充满了数百种几乎不可见的粒子，而很久以前，这些粒子形成了跨越宇宙的弦网，该怎么办？

　　这听起来既令人振奋又令人敬畏，但这实际上是对弦理论的一种预测，这是一个非常好的宇宙学（但令人沮丧的是不完整的）理论。这些奇异的，尽管是假设的小颗粒被称为轴子，如果能够找到它们，那就意味着我们所有人都生活在一个巨大的“轴子”中。

　　该理论是某些物理学家的支撑理论，在不久的将来，正在建造的微波望远镜可能会检测到这种难以理解的巨大弦网。

　　轴子

　　好吧，让我们开始吧。首先，我们需要更好地了解轴子。轴子由物理学家（后来获得诺贝尔奖得主）弗兰克・维尔泽克（Frank Wilczek）于1978年命名，之所以得名，是因为它被假定为存在某种对称性破坏而存在。

　　有一种对称性称为CP对称性，它表示物质和反物质的坐标相反时其行为应相同。但是这种对称性似乎并不自然地适合于强核力理论。解决这个难题的一种方法是在宇宙中引入另一种对称性，以“纠正”这种不良行为。但是，这种新的对称性仅在极高的能量下出现。在日常的低能量状态下，这种对称性消失了，并考虑到这一点，推出了一个新粒子：轴子。

　　现在，我们需要转向弦理论，这是我们的尝试（并且这是我们50多年来的主要尝试），以便在单个理论框架中统一所有自然力，尤其是引力。由于多种因素，这被证明是一个特别棘手的问题，其中最重要的是，要使弦论发挥作用（换句话说，数学甚至有希望解决），宇宙必须具有比通常的三个维度更广的空间和时间，必须有额外的空间维度。

　　当然，肉眼看不到这些空间维度。否则，我们会注意到这种事情。因此，额外的维度必须小巧，并以很小的比例卷曲在自己身上，以至于我们无法正常地发现它们。

　　造成这种困难的原因是，我们不确定这些额外的维度是如何自动缩小的，并且大约有10 ^ 200种可能的方法可以实现。

　　但是这些维度排列似乎有一个共同点，那就是轴子的存在，按照弦论，轴子是缠绕某些卷曲维度并被卡住的颗粒。

　　更重要的是，弦理论不仅预测一种轴子，而且预测存在各种质量的数百种轴子，包括可能在强核力理论预测中出现的轴子。

　　奇异的宇宙弦

　　因此，我们有许多质量各异的新型粒子。大轴子！轴子是否可以组成暗物质，暗物质似乎负责给星系提供大部分质量，而普通望远镜却无法探测到它？这是一个悬而未决的问题。但是，“暗轴子问题”必须面对一些具有挑战性的观察测试，因此，一些研究人员将重点放在了轻轴子族的较轻端，探索找到它们的方法。

　　当这些研究人员开始研究这些轻量级轴子在早期宇宙中的预期行为时，他们发现了一些真正令人称奇的东西。在我们宇宙历史的最早时刻，宇宙经历了相变，将其整个特征从奇特的高能状态改变为常规的低能状态。

　　在这些相变之一（发生于宇宙小于一秒的旧相中）期间，弦理论的轴子不以粒子的形式出现。取而代之的是，它们看起来像是纵横交错的轻巧线条，几乎看不见的弦线网络。

　　宇宙弦网络

　　这种假想的轴子充满了各种各样的轻质轴子弦，这是由弦论来预测的，其他物理学理论在这里失效。因此，如果确定我们生活在一个轴子中，那将是弦理论的主要福音。

　　光线的转变

　　我们如何搜索这些轴子弦？模型预测轴子的质量很低，因此光线不会撞到轴上并弯曲，或者轴子可能不会与其他粒子混合。现在可能有数百万条轴子弦在银河系中漂浮，但我们看不到它们。

　　但是宇宙既古老又大，我们可以利用它来发挥自己的优势，尤其是当我们认识到宇宙也有背光的时候。

　　宇宙微波背景（CMB）是宇宙中最古老的光，仅在大约380,000岁时才发出。这些光在数十亿年的时间里一直浸透宇宙，穿过宇宙，直到它最终撞击到某些东西，例如我们的微波望远镜。

　　因此，当我们查看CMB时，我们通过数十亿光年的宇宙来看到它。就像看着手电筒通过一系列蜘蛛网发出的光一样：如果有一个穿过宇宙的轴子弦网络，我们可能会发现它们。

　　在12月5日发布在arXiv数据库中的一项最新研究中，三位研究人员计算出了一种轴子对CMB光的影响。他们发现，取决于一束光在特定轴子附近通过的方式，该光的偏振方向可能会发生偏移。那是因为CMB的光（以及所有光）是由电场和磁场波组成的，光的偏振告诉我们电场的方向-当CMB的光遇到轴子时，这种情况会改变。我们可以使信号通过专门的滤波器来测量CMB光的偏振，从而使我们可以挑选出这种效果。

　　研究人员发现，充满弦的宇宙对CMB的总体影响导致极化变化约1％，这正好在我们今天可以检测到的范围之内。但是，目前正在设计未来的CMB映射器，例如宇宙起源探险者（Cosmic Origins Explorer），用于从宇宙背景辐射检测（LiteBIRD）进行B模式极化，还有用于宇宙膨胀研究的Lite（Light）卫星和Primordial Inflation Explorer（PIXIE）。

　　这些未来派望远镜将能够探测出一个轴子。一旦这些映射器上线，我们要么发现自己生活在一个轴子种，要么排除了对弦理论的这种特殊预测。

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