在宇宙弦可能出現(xiàn)的最早時刻之一，宇宙裂開了，這些裂縫（這些時空本身的缺陷和裂縫）甚至可能會持續(xù)到今天。一個早已逝去的時代的產(chǎn)物，一個由外來力量和奇怪能量統(tǒng)治的時代可能會持續(xù)下去。

宇宙可能充滿了所謂的宇宙弦，這些時空缺陷，雖然我們還沒有任何證據(jù)證明它們的存在，但宇宙弦可能仍然存在。宇宙大爆炸模型非常簡單：很久以前，宇宙非常小，非常熱，非常稠密，在大約138.2億年前的某個階段，宇宙是如此之小，如此炎熱，如此致密，以至于它處于一種完全不同的基本狀態(tài)。

我們今天所知道的四種自然力曾一度融合成一種統(tǒng)一的力，隨著宇宙冷卻并在十億分之一的前十億分之一秒內(nèi)膨脹(為了安全起見，可能還會在此基礎(chǔ)上再增加幾個億分之一)，這些力就會一個接一個地分離開來。這是一個激進的相變，在此期間宇宙完全改變了性質(zhì)，但就像所有其他相變一樣，它可能并不完美?；蛘撸辽?，在整個宇宙中，它可能不是以完全相同的方式在完全相同的時間發(fā)生。為了理解這一點，我們舉一個更加平凡和熟悉的例子：一個冰塊托盤。

當(dāng)你把水放入托盤并將托盤粘在冰柜中時，水最終會達到足夠冷的溫度，從而改變相，從液體變?yōu)楣腆w，而且這種相變并不是在整個冰塊中完美地發(fā)生的。當(dāng)水從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楸鶅鰰r，它開始于所謂的成核點，這是即將出現(xiàn)冰塊中的某個隨機點，它開始形成我們稱之為冰的晶格，從這一點開始，相變向外擴散，包括所有的水，分子在一個特定的方向排列得很好，很整齊。但成核點并不一定是孤立的，相變在水中擴散需要時間，在此期間，另一個成核點可以開始形成自己的晶格。

這一點很可能決定與第一點完全不同的方向。最終結(jié)果是，冰塊有缺陷；它在整個體積中并不是完全透明的，這一點肉眼是顯而易見的。拿起一塊冰塊，盯著看，你會看到裂縫和墻壁，有時甚至?xí)霈F(xiàn)氣泡，這些是當(dāng)晶格中兩組不同相變沒有完全對齊時產(chǎn)生的殘留缺陷。所以，就拿這個例子來說，把它放大一萬億或一萬億度左右，你就有了一張早期宇宙的圖景。

宇宙美麗的瑕疵

正如你可能想象的那樣，當(dāng)宇宙的相位變化和自然力彼此分離時，在時空中留下的缺陷和裂縫比冰塊中的一些缺陷更奇怪，更有異國情調(diào)。這個過程留下的一些最常見缺陷是所謂的宇宙弦。這些與弦理論的弦無關(guān)，它們被恰當(dāng)?shù)胤Q為超弦（可能有一種方法可以從超弦生成宇宙弦，但我們現(xiàn)在不打算討論這一點）。這些宇宙弦從可觀測宇宙的一端延伸到另一端，是時空本身的一維缺陷。隨著宇宙的增長，弦也隨之增長，因為它們只是空間底層結(jié)構(gòu)的一部分，因此，隨著時空的擴展，弦也是如此。

然而，宇宙弦并不完全是一維的，宇宙弦的寬度取決于相變發(fā)生的確切時間和方式，但大多數(shù)理論將它們放在大約一個質(zhì)子的寬度。宇宙弦本身沒有質(zhì)量；宇宙弦不像是由什么東西組成，就像我們是由原子組成的。但由于宇宙弦是時空中的皺紋，它們確實具有張力，因為時空中的變形是引起引力的原因，這種張力使它看起來好像宇宙弦確實有質(zhì)量。質(zhì)量取決于弦的密度和張力水平，得到的數(shù)值都取決于所采用的特定理論。

但一個很好的經(jīng)驗法則是：1英寸(2.5厘米)的宇宙弦質(zhì)量大約與珠穆朗瑪峰相同，1英里(1.6公里)的宇宙弦質(zhì)量將與地球質(zhì)量相同，請記住，這些宇宙弦從可觀察宇宙的一端延伸到另一端。這些宇宙弦周圍的條件非常奇怪，因為它們彎曲了周圍的空間和時間，如果你繞著一個圓圈旅行，你會發(fā)現(xiàn)你必須旅行不到360度才能回到起點。這看起來幾乎是不可能的，但這就是圍繞著宇宙弦彎曲時空中的生命。

稍微擺動一下

重要的是，宇宙弦會擺動，有時宇宙弦擺動得如此劇烈，以至于宇宙弦把自己套在自己身上，掐斷自己，并在剩余部分之外發(fā)出一個閉合的環(huán)路，有時兩個或更多“斷”宇宙弦會找到彼此，稍微擺動一下，然后相交，以這種方式切斷自己，有時扭動變得特別劇烈，形成以光速上下移動的扭結(jié)和尖端。所有這些擺動使得宇宙弦可能被檢測到，閉合環(huán)的扭結(jié)和尖端產(chǎn)生引力波。這些引力波削弱并最終溶解弦，謝天謝地，這需要很長時間。

所以如果在早期宇宙中產(chǎn)生了任何弦，它們今天應(yīng)該仍然存在。目前還沒有從宇宙弦中探測到任何引力波，未來，隨著激光干涉儀引力波天文臺的升級，或者由歐洲激光干涉儀空間天線航天器進行的測量，科學(xué)家們也許能夠做到這一點，該航天器計劃在本世紀30年代中期發(fā)射。然而，還有另一種技術(shù)可以讓我們看到宇宙弦，光將在宇宙弦附近被分裂，所以如果其中一個恰好正好落在我們視線范圍內(nèi)到一個遙遠的星系，那個星系的圖像將被分裂成兩個。

科學(xué)家們一直在尋找這一證據(jù)，但也徒勞無功，但得出了與引力波相同的結(jié)果：沒有任何宇宙弦的跡象。如果有任何宇宙弦留在我們的宇宙中，它們不可能有很大的張力，因此會有大量的質(zhì)量；否則我們現(xiàn)在應(yīng)該已經(jīng)看到它們了。但是宇宙弦一般是由我們關(guān)于早期宇宙相變的理論預(yù)測。因此，要么科學(xué)家對宇宙弦的理解是錯誤的(很可能是這樣)，要么是對早期宇宙的理解是錯誤的(也可能是這樣)。無論如何，如果最終能夠探測到宇宙弦，它將幫助我們解開宇宙中一些最深的謎團！

博科園｜文：Space/Paul Sutter（俄亥俄州立大學(xué)天體物理學(xué)家）

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