早期宇宙中的全息相變會(huì)釋放引力波嗎？

藝術(shù)家描繪的兩個(gè)黑洞合并并且引起我們所知的引力波漣漪（圖源：LIGO/T.Pyle）An artist's illustration of two black holes merging and creating ripples in space-time known as gravitational waves.(Image credit: LIGO/T. Pyle)

我相信你可以理解我們對(duì)極早期的宇宙知之甚少。

我們懷疑它經(jīng)歷了幾個(gè)主要的變革時(shí)期——稱為相變——最終產(chǎn)生了我們所知道和熱愛的宇宙。最近，一組物理學(xué)家使用了弦理論中最強(qiáng)大的工具之一來處理這些相變，并透露我們即將可以通過引力波特征直接探測(cè)那些宇宙活動(dòng)。

新的階段

在自然中有四種已知的力，其中兩種你都很熟悉：引力和電磁力，它們聯(lián)合起來構(gòu)成了我們?nèi)粘Ｉ畹拇蟛糠?。第三種，強(qiáng)核力，負(fù)責(zé)把原子核聚集在一起，但除此之外，它極短的作用距離使它無法做其他值得注意的事情。第四種，弱核力，它使核衰變和核反應(yīng)成為可能，這很方便。但除此之外，它不管其他的事。

這四種力相互之間沒有什么不同，但現(xiàn)代物理學(xué)最顯著的見解之一是，它們可能都是同一種力的表現(xiàn)形式。我不能把這種統(tǒng)一的力量稱作“力”，因?yàn)椤缎乔虼髴?zhàn)》宇宙已經(jīng)使用了這個(gè)綽號(hào)，所以我們只能稱它為“統(tǒng)一的力”。

我們不知道這種統(tǒng)一的力是否真的存在（或曾經(jīng)存在過），但我們已經(jīng)能夠?qū)⒆匀坏膬煞N力融合在一起。在我們的高能粒子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中，電磁力和弱核力融合在一起，成為統(tǒng)一的“弱電力”。

如果我們的粒子對(duì)撞機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)這一壯舉，那么宇宙肯定也可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)我們的宇宙還不到一秒大時(shí)，它極其的小、熱和密。如此的小、熱和密，以至于足夠使弱電力失控。只有當(dāng)宇宙膨脹并冷卻到超過這一點(diǎn)之后，這些力才能分成它們各自不同的身份。

艱難的旅程

在我們最簡(jiǎn)單的模型中，這一轉(zhuǎn)變是相對(duì)平穩(wěn)的——從弱電狀態(tài)簡(jiǎn)單過渡到分離成電磁力和弱核力的宇宙。不過，雖然我們最簡(jiǎn)單的物理模型非常成功，它也有缺點(diǎn)。我們無法用簡(jiǎn)單的模型解釋宇宙中的各種物理現(xiàn)象（比如中微子的質(zhì)量和暗物質(zhì)的存在）。

更復(fù)雜（和更假設(shè)）的物理模型預(yù)測(cè)，結(jié)束弱電時(shí)代的相變非常劇烈。這個(gè)過程非但不平穩(wěn)，還非常艱難崎嶇。新力量的泡沫在能量的猛烈釋放中形成、增長和融合，隨著弱電力與自身的分離，宇宙爆發(fā)出混亂的狂暴。

但是除了能說“是的，這太瘋狂了”之外，現(xiàn)代物理學(xué)的工具還不能更詳細(xì)地描述這種劇烈的相變。我們的數(shù)學(xué)沒有好到能追蹤所有復(fù)雜、強(qiáng)大的力量，因?yàn)樗鼈兏淖兞擞钪妗?/p>

全息理論

好吧，這并不是弦理論本身。弦理論是我們?cè)噲D描述統(tǒng)一的力（并用單一理論解釋所有的物理），但它并沒有被破解——沒人能夠解出弦理論的數(shù)學(xué)問題以做出實(shí)際預(yù)測(cè)（這對(duì)科學(xué)很重要）。但在物理學(xué)家試圖解開弦理論之謎（雙關(guān)語）的數(shù)十年中，他們偶然發(fā)現(xiàn)了一種看似強(qiáng)大的技術(shù)。一些看似難解的問題，可以轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單易解的問題，再轉(zhuǎn)化回來得到答案。

問題是：你必須從更高的維度去思考。在我們?cè)噲D理解早期宇宙的煩亂嘈雜的情況下，相變物理學(xué)背后的困難的（或許是不可能的）數(shù)學(xué)可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)涉及廣義相對(duì)論的更簡(jiǎn)單的問題——在五維上。

這沒有任何意義。為什么這一招有效？為什么四維的弱電問題變成五維的引力問題？我們不知道。但我們知道的是，這個(gè)方法可能足夠瘋狂到可以奏效，一個(gè)理論物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用這種方法來模擬早期宇宙的物理，正如發(fā)表在預(yù)印本期刊《arXiv》上的一篇論文所報(bào)道的那樣。

有了這種新穎的“全息” （和這種技術(shù)的名稱一樣，因?yàn)樗婕霸诓粊G失信息的情況下從一組維度轉(zhuǎn)換到另一組維度）技巧，理論家們就能夠追蹤弱電相變期間泡沫的形成。他們發(fā)現(xiàn)，泡沫的形成和碰撞會(huì)導(dǎo)致引力波的巨量釋放。

那些時(shí)空的漣漪可以持續(xù)到今天。但是，即使它們剛形成時(shí)可以像撕紙一樣把你撕成碎片，現(xiàn)在它們幾乎無法推動(dòng)一個(gè)原子。我們還不具備探測(cè)它們的靈敏度，但研究人員發(fā)現(xiàn)，擬議的太空基引力波探測(cè)器，如歐洲空間局的激光干涉空間天線任務(wù)（LISA），將具備探測(cè)能力。

當(dāng)LISA完全運(yùn)行時(shí)（至少還需要幾十年），它有可能探測(cè)到這些微弱的引力波，這些引力波是四種自然力中的最后一種相互分裂時(shí)留下的。如果沒有全息理論，我們永遠(yuǎn)無法做出這種預(yù)測(cè)，而宇宙歷史上最早和最劇烈的時(shí)代仍將是個(gè)謎。

BY:Paul Sutter

FY:語心

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