​对于宇宙,我们自以为已经懂得了很多。在宏观上,我们有了看起来近乎完美的相对论;在微观领域,我们有强大的量子力学。但这两者却存在诸多不兼容的地方。

科学家将寻找宇宙被“降维”的证据-MAAMX

许多科学家致力于建立大一统理论,亦即万物理论,试图以一个理论,同时解释宏观宇宙和微观世界。

这其中最有名的是弦理论。弦理论认为,宇宙中存在的一种几乎看不见的粒子——轴子,其弦形态曾经构成过一张巨大的网,布满整个宇宙。

弦理论确实不完备,但也并非没有检验的可能。

轴子是一种假想的粒子,最早是由物理学家Frank Wilczek于1978年提出的。

轴子之名源于它和某种非对称性的关联。宇宙总是倾向于对称,物理学家也有同样的爱好。有物质就有反物质。但是在实际研究中,物理学家却发现了许多非对称性现象。比如在对强互作用力的研究中。

为了揭开强互作用力之谜,人们引入了一种新的对称性,以弥补这种缺失。但这种新的对称性只出现在高能状态下,在日常的低能状态下会消失。因此物理学家假想可能存在一种新的对应粒子,即轴子。

轴子的存在可以帮助弦理论解决一个奇特的问题——额外维度的去向。弦理论的成立,依赖于这些额外的维度。但是我们在日常体验生活中无法体验到这些额外的维度,它们只存在于微观尺度上。它们被卷曲了起来。它们的卷曲方式有10^200种。

弦理论还认为,轴子不止一种,而是有至少数百种,它们的质量各不相同。其中包括能够产生强互作用力的那种。

轴子也是暗物质的候选者之一。但是这一假设在观测中会遇到许多挑战,因此一些人转而专注于寻找那些质量较小的轴子。

人们还发现,宇宙在它的极早期阶段曾经发生过相变。它曾经从一个奇异的高能状态向我们日常体验的低能状态发生转换,并在此过程中改变了许多特性。

就在这些相变的一个过程中,轴子还没有凝聚成为粒子,而是以圈状或线状的形态存在。一张超轻的,几乎看不见的弦网曾经遍布当时的整个宇宙。

基于这样的认识,以及观测技术的进步,一些科学家认为,我们实际上可以看到这张网。

由于轴子弦的质量极小,无法和光子和其他粒子相互作用,因此我们无法直接看到它们。但是宇宙为我们提供了一道背景光,我们在某种程度上可以看到这张网的剪影。

这道背景光就是宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射是宇宙中最古老的光。它产生于宇宙诞生仅38万年之时。它几乎渗透了整个时空到达地球。

理论上,我们可以在这道背景光的映衬下,看到诞生138亿年以来宇宙中发生过的所有事。假如轴子弦网真的存在过,那么我们也能发现它。

最近有三位学者在arXiv上发文认为,宇宙微波背景辐射在穿越弦网时,光子的偏振幅度可能会发生变化。这是因为宇宙微波背景辐射是电磁波,而光子的偏振幅度反映了电场的方向。假如轴子弦存在,那么宇宙微波背景辐射和它遭遇时就会发生改变。我们可以使用特殊滤镜,通过观测宇宙微波背景辐射中偏振幅度的变化来发现这种效应,进而发现弦网的存在。

研究人员发现,假如弦网存在,那么宇宙微波背景辐射中的偏振幅度变化大约会是1%,接近我们当前的探测能力。鉴于当前已有大量微波探测器正在建设中,我们或许很快就能发现宇宙中是否真的存在过弦网,以及我们是否生活在一个轴子宇宙中。

如果这张由轴子弦编织而成的网被证明真的存在过,那么整个物理学都有可能因此发生改变。它将表明弦理论是正确的,而这又意味着宇宙真的可能存在过更多的维度。

参考:

A CMB Millikan Experiment with Cosmic Axiverse Strings

https://arxiv.org/abs/1912.02823