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引力波能用来检测时空裂缝吗?

时间: 2018年05月31日 | 作者: Admin | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
根据一些理论,宇宙在大爆炸后迅速冷却,这一过程使得宇宙出现“缝隙”——无数蕴含大量能量、长度有如星系的细丝。现在,还从未有人探测到这种“宇宙弦”的存在,但引力波的


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我们的宇宙从大爆炸开始,就以惊人的速度膨胀并冷却下来。也许这个过程实在太快了。一些物理学家认为,快速冷却可能破坏了宇宙的结构。

这些细线状的裂痕可能仍然存在于时空中,我们称之为宇宙弦。在现有的数学模型中,宇宙弦被看作是由纯能量组成的隐形弦,这些弦的直径比原子小但长度可达数光年。它们所含的巨大能量使其非常沉重:几厘米的宇宙弦可能和珠穆朗玛峰一样重。

一些宇宙弦的支持者,例如法国高等科学研究所的理论物理学家蒂奥·达穆尔(Thibault Damour)是被始终预测其存在的数学计算说服的。“事实上,理论计算中总是会出现宇宙弦,这让我更加相信它们的存在。”他说。

然而,作为早期宇宙留下的时间胶囊,宇宙弦应该蕴含巨大的能量——比大型强子对撞机中砸碎粒子所释放的能量高10亿倍以上。在塔夫茨大学研究了20多年宇宙弦的理论物理学家肯·奥卢姆(Ken Olum)说:“你无法通过加速器来检验这个能量尺度上的物理。”

任何现有的天文仪器都没法检测到这些在星系之间穿越的细丝。对一部分物理学家来说,一个无法被检验的理论是不值得追求的。这使得宇宙弦被归入了与“弦理论”相同的范畴,后者也是个饱受争议的理论,与宇宙弦同名,其尺度却是另一个极端。按照弦理论,比任何亚原子粒子都小的振动弦是构成宇宙的基本零件。对于墨尔本斯威本科技大学的天体物理学家马修·拜莱斯(Matthew Bailes)而言,宇宙弦只是“在数学上令人好奇”,或者更糟糕的说法是“奇异的幻想”。

但是这一切可能即将改变。年仅两岁的引力波天文学可能会最终验证宇宙弦的存在。我们无法看到宇宙弦,但引力波探测器也许能够听到在它们在太空中挥动时发出的声响。

大爆炸后的宇宙裂缝

你可能会想知道空间是如何破裂的。用量子场论物理学家的视角观察宇宙,会对理解这个概念有所帮助。黑客帝国中的尼奥已经很接近这个境界,在他看来,世界是由绿色的1和0组成的透明织物。而量子场论将宇宙看作是由无处不在的场编织成的。

场像流体一样填充空间,我们所说的“粒子”是流体内的涟漪。一个光子是电磁场中的涟漪(我们体验到的是光),电子是在“电场”中的涟漪,希格斯玻色子是在希格斯场中的涟漪……“除了场,别无其他。”已经退休的普林斯顿物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)这样说过。

2016年去世的英国理论物理学家汤姆·基布尔(Tom Kibble)在1976年提出了关于宇宙弦的想法。他认为,在宇宙大爆炸之后的第一秒,宇宙就快速膨胀然后迅速冷却,这导致量子场的相变,如同水冻结成冰一般。

在一块冰中,一些区域凝结时形成的晶体朝向是不同的,就像从房间的不同角落同时开始铺设瓷砖。在相遇的地方,它们不能完美贴合,导致裂缝出现。同样,基布尔猜测,早期宇宙中的量子相变会让方向不同的场拼在一起,造成裂缝——也就是宇宙弦。

许多关于宇宙诞生的理论表明,宇宙是被宇宙弦穿过的:在大爆炸之后快速冷却期间产生的时空裂缝。该模型展示了弦(橙色)和许多较小的闭环(绿色)。

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来源: CARLOS MARTINS & PAUL SHELLARD

基布尔过去的一些预测已经得到了证实。他独立预测了一个可以将质量赋予其他粒子的基本粒子,现在称为希格斯玻色子。2012年该粒子被发现,提出希格斯理论的其他科学家后来获得了诺贝尔物理学奖。

然而,宇宙弦的验证极其困难。它们只会出现在与可观测宇宙一样大的广大区域的边缘。这就是为什么基布尔在1976年最初的计划中写道:“直接寻找宇宙弦将毫无意义”。

要不是5年后乌克兰物理学家亚历山大·维连金(Alexander Vilenkin)得到有说服力的计算结果,宇宙弦的故事可能已经结束了。

无处不在的宇宙弦思想

到了20世纪80年代初,大多数宇宙学家接受了宇宙大爆炸理论——宇宙是从一个温度与密度极高的均匀状态演化而来的。但是这个想法存在一个重要的问题:现在的宇宙中物质分布是不均匀的,存在星系和星系团等结构,这种这种不均匀的宇宙是如何形成的呢?

维连金在思考这个问题时,恰好看到了基布尔1976年论文中的批注:当宇宙弦在空间中扭动时穿过自己,就会切下来一个独立的“环”。这些环就像是在太空中,具有光年尺寸的“呼啦圈”,它们的质量巨大。维连金不断进行计算机模拟,发现早期宇宙中存在的闭弦的数量非常接近星系的数量。他推断,也许一个闭弦会生成一个年轻的星系,就像一粒沙子有可能会长成一颗珍珠。

这个想法激起了物理学家极大的兴趣。史蒂芬·霍金写了许多探讨闭弦是如何坍塌成黑洞的论文。许多人对它们在空间上是如何弯曲、扭曲的很感兴趣。有人甚至得出了一套宇宙弦的探测理论:如果宇宙初期存在大量的闭弦,那它们就会在大爆炸的余晖,也就是宇宙微波背景辐射上留印记。

1989年11月,宇宙背景探测器(COBE)卫星发射——这是一项耗资1.4亿美元的实验,用于绘制宇宙微波背景辐射的分布。但是在1992年,数据发布时,科学家并未发现宇宙中有丝毫宇宙弦的痕迹。相反,这些数据更倾向于另一种理论,即星系来自宇宙比原子还小时的微小量子涨落。

密尔沃基大学的理论物理学家泽维尔·西门子(Xavier Siemens)承认道:“这确实会使人失去对宇宙弦的热情,但这一理论并未被宣判死刑。”

与此同时,基布尔的弦在物理学其他领域中出现了。1996年,同一期《自然》期刊上的两篇论文通过液氦迅速冷却的实验,模拟了早期宇宙的演化。在液晶和超导体的相变过程中,研究人员发现了类似于弦的裂纹缺陷,这些特殊材料的性质也符合基布尔方程。“实际上,可以说基布尔发现的缺陷和排序方式,几乎在任何地方都发现过,除了整个宇宙中。”加拿大圆周理论物理研究所的物理学家尼尔·图罗克(Neil Turok)在2013年的著作《对称性与基础物理》(Symmetry and Fundamental Physics)中写道。

宇宙弦思想也出现在微观物理学中。一篇于2003年发表在Physical Review D的综述得出结论:几乎所有的超对称理论(该理论认为所有基本粒子都存在尚未被发现的超对称粒子)都预测了宇宙弦以某种形式存在。与此同时,奥卢姆和其他人的计算机模拟表明,如果这个预测成立,那么可观测宇宙中至少分布有十亿个圈状的闭弦。

现在缺少的是实际观测。但是,这种比原子直径更细、和星系一样长的不可见物质,该如何检测呢?

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引力波探测器是我们探测宇宙弦运动痕迹的最佳希望。它们可以探测不同频率的引力波:LIGO和VIRGO可以探测高频的引力波,脉冲星测时阵列可以探测低频,而LISA可以填补两者之间的空白。

用引力波找到宇宙弦?

2015年9月,激光干涉引力波天文台(LIGO)检测到由两个合并的黑洞发出的引力波。这将天文学家探索宇宙的能力提升到另一个高度。“在LIGO发现引力波之后,” 达穆尔说,“我立刻想到‘啊哈!如果能用它探测到宇宙弦就太好了。’”

宇宙弦看不见,但它们有可能被探测到。引力波是大质量物体快速移动时所产生的时空涟漪——比如一对黑洞或中子星。或者,是一个扭曲的宇宙弦。

“就像一根挥动的鞭子。” 达穆尔解释说。他在2000年与维连金一起提出了这个想法。一条鞭子的挥动声,实际上是当它尾部的一部分移动速度超过声速时产生的音爆。同样,随着闭弦的摆动和反弹,它的一部分会被甩到光速,并释放一阵引力波。两位物理学家计算后表示,这样的暴发是可以被LIGO检测到的。

从2005年到2010年,LIGO一直在探测,但没有得到理想的数据。自2015年9月以来,灵敏度提高了4倍的LIGO继续坚守岗位。

探测的一个难点是这种引力波是沿着特定方向发射的,就像手电筒的光束。LIGO必须正好在引力波的路径上。

这就是为什么我们探测宇宙弦的最大希望可能不在于它们的挥动,而在于它们的转动。圈状的闭弦转起来就像呼啦圈一样,它会发出引力波——每转一圈都会产生一次引力波。由于闭弦周长可以达数光年,所以可能需要几十年才能完成一次自转。

换句话说,这个宇宙级别的“呼啦圈”会以极低的频率产生引力波。对于LIGO来说这个频率太低,没法检测到。这时候就需要一个完全不同的引力波探测器。幸运的是,我们刚好有。

脉冲星测时阵列(pulsar timing array)是一个星系量级的引力波探测器。脉冲星是会发射强烈脉冲的旋转中子星(恒星爆炸塌陷之后的核心),其脉冲发射频率的精准程度能和原子钟相媲美。北美纳米赫兹引力波观测站(NANOGrav)十多年来一直痴迷于为几十个脉冲星计时。

任何与标准脉冲周期的偏差都可能意味着,一束经过的引力波拉伸或挤压了我们与脉冲星之间的时空,导致时间稍微滞后或超前。

“我们将打开一个全新的低频引力波探测窗口。” NANOGrav的站长西门子说。为了尽可能监视更多的脉冲星,NANOGrav与另外两个脉冲星测时阵列相连,其中一个使用欧洲的射电望远镜,另一个则位于澳大利亚新南威尔士州的帕克斯天文台。

但去年九月,西门子和奥卢姆宣布搜寻仍然一无所获。

“在物理学中,当你找不到预期的东西时,并不代表是失败,” 奥卢姆说。“这是另一种意义上的成功,因为它暗示了我们宇宙中还存在着我们所不知道的事情。”在某些特定量级上没有发现宇宙弦,就已经可以排除一部分超对称理论。

寻找宇宙弦的下一步,也许是我们得到答案的唯一希望,就是将于2034年发射的激光干涉空间天线(LISA)。作为一台空间引力波探测器,它将接收频率处于LIGO和脉冲星测时阵列之间的引力波频段。

即使结果一直都不理想,但物理学家仍然不会放弃宇宙弦。西门子表示,弦的能量可能太低,因而无法发出任何可探测信号。另一种可能性是古老的宇宙弦在宇宙大爆炸之后,飞快地释放能量并耗散殆尽,以至于没有留下明显的痕迹。

如今,宇宙弦和一些巧妙的理论,能帮助我们更好地理解宇宙,但这些理论缺乏实验上的验证。“物理总是集美丽与危险于一身,” 达穆尔说。“有时某些东西存在,却永远看不到。”

翻译:张朵儿 审校:吴非 韩晶晶