資料圖

該理論最出色的地方在于，它并非物理學(xué)家的紙上談兵、無(wú)法通過(guò)檢驗(yàn)來(lái)證實(shí)。相反，利用目前正在搭建的微波望遠(yuǎn)鏡，我們也許在不久的將來(lái)就能探測(cè)到這張巨大無(wú)垠的弦網(wǎng)絡(luò)。

而如果證實(shí)了軸子宇宙的存在，我們便朝最終揭開(kāi)萬(wàn)物之謎邁進(jìn)了一大步。

弦的“交響樂(lè)”

接下來(lái)，讓我們談?wù)勗鯓硬拍茏龅竭@一點(diǎn)。首先，我們需要進(jìn)一步了解軸子。軸子由物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）于1978年命名。之所以起這個(gè)名字，是因?yàn)楦鶕?jù)物理學(xué)家推測(cè)，該粒子源自一種特定類型的對(duì)稱性破缺。

有一種對(duì)稱名叫CP對(duì)稱，認(rèn)為如果將物質(zhì)與反物質(zhì)的坐標(biāo)互換，兩者的表現(xiàn)應(yīng)當(dāng)完全相同。但這種對(duì)稱性似乎無(wú)法與強(qiáng)核力理論自然吻合。要解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，可以引入宇宙中的另一種對(duì)稱性，從而“糾正”這種錯(cuò)誤表現(xiàn)。然而，這種新對(duì)稱性只有在極高能量下才能實(shí)現(xiàn)。在日常的低能狀態(tài)下，這種對(duì)稱性就會(huì)消失。而為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，物理學(xué)家便提出了軸子。

接下來(lái)再來(lái)談一談弦理論。多年來(lái)，科學(xué)家一直試圖用一套統(tǒng)一的理論框架解釋包括引力在內(nèi)的所有自然力。弦理論便是主流框架之一。但由于多種原因，這個(gè)問(wèn)題非常棘手。首先，弦理論要想成立，宇宙就不僅有三個(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度，還要有額外的幾個(gè)空間維度。

肉眼當(dāng)然是看不見(jiàn)這些額外維度的，否則我們?cè)缇蜁?huì)注意到了。因此，這些額外額度的規(guī)模一定非常小，并且在極小的尺度上卷曲起來(lái)，從而躲過(guò)了常規(guī)的探測(cè)手段。

最困難的是，我們不清楚這些額外維度是如何卷縮的，其卷縮方法可能多達(dá)10200種。但它們似乎都有一個(gè)共同之處，即都有軸子的存在。因?yàn)楦鶕?jù)弦理論，軸子就是纏繞并固定在這些卷縮維度周圍的粒子。

此外，弦理論不僅預(yù)測(cè)了一種軸子，而是可能有成百上千種不同的種類和質(zhì)量，包括可能出現(xiàn)在強(qiáng)核力理論預(yù)測(cè)中的軸子。

愚蠢的弦

所以，現(xiàn)在我們有了許多類型不同、質(zhì)量各異的粒子。但軸子可以構(gòu)成暗物質(zhì)嗎？對(duì)此，我們只能說(shuō)“或許吧”。但“軸子構(gòu)成暗物質(zhì)”的理論需要經(jīng)過(guò)觀察驗(yàn)證的挑戰(zhàn)，因此一些研究人員決定將注意力放在軸子家族中質(zhì)量較輕的一類上，努力尋找它們的蹤影。

而在這些研究人員開(kāi)始挖掘早期宇宙中輕如鴻毛的軸子的行為時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一些驚人的事情。宇宙在誕生初期曾經(jīng)歷過(guò)一系列階段過(guò)渡，從古怪的高能狀態(tài)變成了常規(guī)的低能狀態(tài)。

這些階段過(guò)渡發(fā)生時(shí)，宇宙誕生還不到1秒鐘。在此過(guò)程中，弦理論中的軸子并不是粒子形式，而是呈現(xiàn)為環(huán)狀和線狀，構(gòu)成了一張橫跨整個(gè)宇宙的、質(zhì)量極輕、幾乎隱形的網(wǎng)絡(luò)。

這個(gè)假想的“軸子宇宙”中充滿了各式各樣的軸子弦。然而，只有弦理論提出了這樣的預(yù)測(cè)。因此，若能證實(shí)我們真的生活在軸子宇宙中，對(duì)弦理論而言將是一次重大支持。

光線的變換

我們?cè)撊绾嗡阉鬟@些軸子弦呢？相關(guān)模型預(yù)測(cè)，軸子弦的質(zhì)量極輕，因此光線與軸子相撞后不會(huì)改變方向，軸子也有可能根本不會(huì)與其它粒子發(fā)生相互關(guān)系。銀河系中也許飄浮著成百上千萬(wàn)根軸子弦，而我們根本看不到它們的存在。

但宇宙極其龐大而古老，我們可以好好利用這一點(diǎn)。而且我們已經(jīng)意識(shí)到，宇宙中存在一種“背景光”。宇宙微波背景（CMB）是宇宙中最古老的光線，從宇宙“幼年時(shí)期”（宇宙形成約38萬(wàn)年時(shí)）便已經(jīng)存在。數(shù)百億年來(lái)，宇宙一直沐浴在這些光線中。這些光線也在宇宙中無(wú)所顧忌地蔓延開(kāi)去，直到撞上某樣?xùn)|西、擋住它們的去路，譬如我們的微波望遠(yuǎn)鏡。

因此，我們?cè)谟^察宇宙微波背景時(shí)，看到的其實(shí)是數(shù)百億光年范圍內(nèi)的宇宙。假如宇宙中橫亙著一張巨大的軸子弦，我們便有可能注意到它，就像用手電筒照亮蜘蛛網(wǎng)的效果一樣。

在2019年12月5日發(fā)表在論文預(yù)印網(wǎng)站arXiv上的一篇論文中，研究人員計(jì)算了軸子宇宙對(duì)宇宙微波背景光線可能產(chǎn)生的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光線從軸子弦旁邊經(jīng)過(guò)的方式可能會(huì)改變光線的偏振方向。這是因?yàn)橛钪嫖⒉ū尘肮饩€（以及其余所有光線）均由電場(chǎng)波和磁場(chǎng)波構(gòu)成，光線的偏振方向決定了電場(chǎng)的方向，而當(dāng)宇宙微波背景光線與軸子相遇時(shí)，電場(chǎng)方向也會(huì)隨之改變。我們可以利用特定的濾光器來(lái)確定宇宙微波背景光線的偏振方向，從而捕捉到這種效應(yīng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，假如宇宙中充滿軸子弦，會(huì)使約1%的宇宙微波背景光線的偏振方向發(fā)生變化。這剛好是我們目前探測(cè)能力的極限。但科學(xué)家正在設(shè)計(jì)新一代宇宙微波背景繪制設(shè)備，如“宇宙起源探測(cè)器”、LiteBIRD和“原始膨脹探測(cè)器”（PIXIE）等等。這些新型望遠(yuǎn)鏡能夠捕捉到軸子宇宙的蛛絲馬跡。等它們上任后，我們就能確定自己究竟是生活在一個(gè)軸子宇宙中、還是可以排除弦理論的這項(xiàng)預(yù)測(cè)了。

而無(wú)論是哪種結(jié)果，都有許多問(wèn)題需要解決。

稿源： 新浪科技