在希腊神话中，有一个叫俄耳甫斯的音乐天才。据说他的琴艺已高超到了出神入化的地步。有一次，他拨动琴弦，石头都纷纷飞起，自动筑成一座城池。
话说在宇宙中也有一种“弦”，对于塑造今日的宇宙是不可或缺的，叫宇宙弦。 中国产品质量法
宇宙弦是理论上预言、但迄今尚未发现的一种奇特天体。它很长，几乎贯穿整个可见宇宙；它又非常细，一根典型的宇宙弦，直径比氢原子半径的万亿分之一还小（氢原子半径与乒乓球半径之比，几乎等于乒乓球半径与地球半径之比）。它是如此细长，你几乎可以把它当作一维的物体看待。然而它的密度非常大，一根长10千米的宇宙弦就重达一个地球的质量！可以想象，密度如此之大的天体，具有非常强大的引力。
宇宙的相变
为何要预言这样一种古怪的天体？这一切说来话长。
让我们逆着时光，追溯到宇宙大爆炸之后不到0.01秒的那一瞬。
虽然那时宇宙的温度依然很高，但
与之前相比，还是降低了不少，因为
宇宙自诞生以来一直在冷却。
态和性质的变化，即通常所说的相
又是一年开学时
变。日常生活中，最典型的是水的相
变。随着温度降低，我们看到水发
生连续的相变，在相变时，其性质
发生了激烈的变化：先是气态，然
后液态，最后又变成固态。
你可能注意到了，液态的水比
固态的冰具有更多的对称性。为什
么呢？假如你站在液态水的一个水
分子上，不管朝哪个方向看，看起来
都是一样的。换句话说，液态的水
没有一个特殊的方向。我们说它是
球对称的。而固态的冰在所有方向
上就不再无差别的了。你要是站在
冰晶的一个水分子上看，你会发现，
水分子在沿着晶格的方向上，排列
更加齐整。晶格方向是它的对称
轴，冰晶具有轴对称。
显然，球对称比轴对称有着更
多的对称性。当物质从有着更多对
称性的状态进入较少对称性的状
态，我们就说“对称性破缺”了。液
态水变成固态冰，就是对称性破缺
的一个例子。
宇宙的冷却也是对称性不断
发生破缺的过程。根据大统一理
论，在宇宙最早期，四种基本作用
力——引力、电磁力、强核力和弱
核力——是彼此不分的，然后经历
了一系列的相变，大家先后从“大统
一”的状态中分离出来。伴随这一
过程，物质的形态发生了激烈的变
化。最终结果是，到了大爆炸之后
0.01秒，终于变出了我们今天所熟
悉的质子、中子、电子等组成普通物
质的粒子。
宇宙相变的“残留物”
宇宙相变还会产生一些副产
品。宇宙学家预言，当相变涉及宇宙
这么大范围的时候，有些缺陷是不
可避免要产生的。它们叫“拓扑缺
陷”。关于这个，我们也可以在生活
中到例子。
冬天气温骤降，湖面结起厚厚
的冰。假如你在冰面上行走，会发
现冰面并非完整的一块，这里那里
塑造了宇宙的“弦”岑夫子/文（1）宇宙大爆炸之初的宇宙弦网络宇 宙 探 索Universe
总有一些裂缝。为什么呢？因为当气温下降时，由于每块水域的自然条件存在差异，导致结冰有先后，而且各自为阵。比如某块水域以A 为中心结冰，而另一块水域以B为中心结冰，每一块都在膨胀、扩张，直到它们相撞为止。其结果是，在交界处，以A为中心的冰块跟以B为中心的冰块不能很好地衔接（譬如晶格的朝向不一致），于是裂缝就产生了。
再比如铁氧体磁化的时候，也会出现小范围内各自为阵的现象。某一小块区域内的原子朝向固然已被调整到一致了，换句话说，已经被磁化了（这样被磁化的小块区域叫磁畴）。但这些磁畴各自为阵，朝向相当混乱，所以整块铁氧体依然显不出磁性。在相邻磁畴交界处，由于原子的朝向不一致，削弱了磁性，从而形成畴壁。只有消除了畴壁，所有原子的朝向都一致了，铁氧体才算真正被磁化
这些冰面上的裂缝、铁氧体上的畴壁，被称为相变产生的拓扑缺陷。
湖北农业科学为什么说宇宙在相变时，拓扑缺陷的产生是不可避免的呢？道理也一样：宇宙在冷却时，各个区域也是各自为阵的。第一，因为宇宙本来就没有中心，没有统一的“指挥部”；第二，因为要想让各个区域协调一致，得有“信使”（即作用力）在彼此之间传递消息，可是作用力传递的速度无法超越光速，不可能无限快，再快的“沟通”也总是滞后的。这样一来，拓扑缺陷就免不了要产生。在缺陷结构中，能量或物质相对集中，演化出一些怪异的天体，包括畴壁、单极子等，而最重要的，则是本文的主角——宇宙弦。
宇宙弦的演化
宇宙弦产生之后，又经历了一系列的演化。其演化由三个要素决
定：宇宙膨胀、宇宙弦的交叉和引力辐射。
首先，宇宙弦将随着宇宙的膨胀而被拉长，这好比画在气球表面的一条线，气球膨胀，线也被拉长。
其次，宇宙弦在宇宙早期应该大量存在，形成一张覆盖全宇宙的网络。由于每根宇宙弦的密度都大得惊人，当两根宇宙弦相遇，就会在强大引力的作用下，振动、交叉。交叉时，发生形变，一部分独立成环，其余形成新的宇宙弦（下图a ）。此外，因为宇宙弦又细又长，导致各部分受力（其他天体对它的引力）不均匀，一直在剧烈地振动，所以自身也会发生交叉。交叉时，形成独立的宇宙环和新的宇宙弦（下图b ）
。
宇宙弦的相互交叉（图a ）和自身交叉（图b ）甲基丙烯酸丁酯
介词宾语（2）（3）宇宙38万年后进入辐射时代的宇宙弦网络今天的宇宙弦网络
最后，宇宙弦和宇宙环由于质量巨大，且在不停振动，会产生强烈的引力波辐射，在辐射中损失能量。所以宇宙弦随着时间的推移会缩短，宇宙环则因为振动更剧烈，会完全蒸发。 这一切总的效果是：尽管宇宙弦在宇宙诞生之初是很多、很密的，但随着它们相互交叉或自身交叉，形成宇宙环，宇宙环又因剧烈振荡，辐射引力波而不断消失，所以宇宙弦和宇宙环随着宇宙的膨胀，变得越来越稀疏。计算机模拟表明，到今天，在可见的宇宙范围内，大概仅存10根贯穿整个宇宙的长宇宙弦，以及大约1千多个小宇宙环。
宇宙大尺度结构的
“种子”
长期以来，天文学家一致认为，宇宙物质的分布（比如星系的分布）在大尺度上应该是均匀的，并把这上升为一条“宇宙学原理”。
但随着观测技术的不断提高，他们发现，在宇宙三维图中，满布着“空洞”和“长城”，宇宙物质的分布远非均匀。所谓的“空洞”，是指那里的星系比别处要稀少得多；所谓的“长城”，是指星系比别处要密集得多的地方。这些宇宙大尺度结构到底是怎么来的呢？一时让人困惑莫解（见本刊2017年第10期《从大尺度看宇宙》一文）。
从传统宇宙学角度，当前对此有两种解释。
一种解释认为，这是宇宙早期物质涨落被放大的结果：宇宙诞生之初，虽然物质总体来说是均匀分布的，但由于不可避免的涨落，也可能出现这个地方物质多一点，那个地方物质少一点的现象。本来，物质交换频繁的话，涨落是旋生旋灭，不能持久的，难以形成任何结
构。但此时，一件意外的事情——暴胀——发生了。宇宙在大约短短10-30秒内，
体积膨胀了大约1026倍，由一个氢原子大小膨胀到一个柚子般大小。暴胀时，宇宙物质迅速分离。这样一来，由于物质来不及交换，暴胀前的涨落格局就得以保存下来。这些被暴胀放大了的宇宙早期的物质涨落，就是后来形成大尺度结构的“种子”。
另一种解释，就是作为宇宙相变副产品的拓扑缺陷，尤其是宇宙弦。这些拓扑缺陷本来跨度就很大，而且它们的出现是必然的，所以只要在一段时间内被保存下来，就可成为搭建宇宙大尺度结构的“脚手架”。比如宇宙弦凭借其强大的引力，把周围物质吸引到其身边，孕育出恒星、星系，由此形成跨度极大的宇宙“长城”。宇宙环也是如此，在其消失之前，把星际物质吸引到其周围，孕育出超星系团之类的大尺度结构。这正是今天的宇宙学
家对它们感兴趣的地方。
休闲街寻宇宙弦
宇宙弦尽管对于塑造宇宙如此重要，遗憾的是，我们至今依然没有直接观测到它们，甚至在微波背景辐射中，也没有寻到蛛丝马迹。但最近，有科学家声称，他们到了证明它们存在的间接证据。
在天空中存在一类异常明亮的天体，叫类星体。据认为，类星体中心盘踞着超大质量的黑洞。类星体会在某个特殊的方向上产生极强、极明亮的喷流，天文学家据此可以识别它们。
美国布法罗大学的一个小组在研究了宇宙纵深处355颗类星体之后发现，其中183颗类星体的喷流朝向在天空中刚好排列成一个巨型的环状。他们猜测，在这个巨型环的位置上，很可能最初有两条宇宙弦发生了交叉，生下一个宇宙环，正
是这个宇宙环影响了喷流的朝向。
宇宙环振动产生引力波辐射
宇 宙 探 索
Universe
虽然后来它蒸发了，但喷流有规则的排列却保留了下来。进一步的计算机模拟似乎也印证了他们的猜测。
此弦亦彼弦？
最后，顺便提一下宇宙弦和超弦的关系。
在粒子物理学中，超弦理论曾经风靡一时。该理论认为，所有基本粒子其实是同一种物质在不同状态下的表现，这种基本物质就是弦。比如说电子，现在的基本粒子理论假设它是没有内部构造的一个点。但从超弦理论来看，电子并不是一个点，而是一个极小、极细的一维闭合弦。弦可以以不同方式
振动。就像小提琴弦在不同的振动下会发出不同音调的声音一样，弦的不同振动模式表现为各种形态的基本粒子。超弦理论甚至认为，各种基本作用力，也是弦的不同振动模式而已，这样一来。超弦理论就实现了物理学家梦寐以求的“大统一”。
这里且不谈超弦理论的正确与否，只谈谈宇宙弦和超弦的关系。
最初，大家认为两者毫无关系，此弦非彼弦。但后来有人提出，两者或许是有关系的。
前面提到的宇宙弦，是宇宙相变中产生的一种拓扑缺陷。但2002年有人提出，假如我们认同超弦理论的观点，那么在宇宙的“大统一”时期，宇宙（那时比一个质子还小）中应该充斥着无数微小的超弦。一部分弦在宇宙膨胀的过程中，同样可以被拉伸成跨星系的大尺度的弦，而且表现出跟宇宙弦相似的特征。
如果是这样的话，宇宙弦除了宇宙相变的起源，又多了一种起源：被拉伸的超弦。
引
力波是时空本身的波动。理论上，任何有质量的物体在运动时，都能产生引力波。不过，只有大质量天体的剧烈运动，才会
产生可探测的引力波。譬如，2015年由美国LIGO （激光干涉引力波天文台）首次发现的引力波，来自两个正在吞噬、做螺旋运动的大质量黑洞。自那以后，理论家们一直在研究，来自其他天体或事件的引力波会是什么样的。
在物理学中，一些最奇异的东西，例如正在蒸发的黑洞、宇宙弦，甚至额外的维度等等，若存在，也会发射引力波。只是这些引力波频率非常高，以致远超出目前的探测能力。不过，最近有位理论家说，事情或许并非完全没有希望。
如果两个人站在一对正在吞噬的黑洞附近，那么在引力波的振动之下，他们之间的距离会时而拉长，时而缩短。一旦黑洞完全融合，引力波消失，这种振动也就停止了——但此时两人的距离已跟最初的有所不同，他们会稍微靠得近些或者远些。
据他的研究，这种永久性的时空扭曲，又会产生一种叫“引力波记忆”的次级引力波信号，但其强度只及原始引力波的1/100到1/10，其频率也远低于原始引力波。
如果他的说法属实，这意味着那次被LIGO探测到的引力波事件中，最后伴随而来的引力波次级信号，其频率已低到让LIGO无法探
测。
但是，如果宇宙事件产生的引力波，起初频率就很高，本身无法被LIGO探测，而它的次级引力波信号，频率或许就会刚好落入LIGO的可探测范围。这可以让我们追踪其来源。这些来源中，或许就有前面提到的那些宇宙怪物。
引力波探测宇宙大怪物
宋小玉/文
探测引力波的LIGO
镜子
镜子
探测臂
探测臂
分束器
镭射器
光探测器
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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