塑造了宇宙的“弦”

岑夫子

在希臘神話中，有一個叫俄耳甫斯的音樂天才。據說他的琴藝已高超到了出神入化的地步。有一次，他撥動琴弦，石頭都紛紛飛起，自動筑成一座城池。

話說在宇宙中也有一種“弦”，對于塑造今日的宇宙是不可或缺的，叫宇宙弦。

宇宙弦是理論上預言、但迄今尚未發現的一種奇特天體。它很長，幾乎貫穿整個可見宇宙；它又非常細，一根典型的宇宙弦，直徑比氫原子半徑的萬億分之一還小（氫原子半徑與乒乓球半徑之比，幾乎等于乒乓球半徑與地球半徑之比）。它是如此細長，你幾乎可以把它當作一維的物體看待。然而它的密度非常大，一根長10千米的宇宙弦就重達一個地球的質量！可以想象，密度如此之大的天體，具有非常強大的引力。

宇宙的相變

為何要預言這樣一種古怪的天體？這一切說來話長。

讓我們逆著時光，追溯到宇宙大爆炸之后不到0.01秒的那一瞬。雖然那時宇宙的溫度依然很高，但與之前相比，還是降低了不少，因為宇宙自誕生以來一直在冷卻。

冷卻的過程必然伴隨著物質形態和性質的變化，即通常所說的相變。日常生活中，最典型的是水的相變。隨著溫度降低，我們看到水發生連續的相變，在相變時，其性質發生了激烈的變化：先是氣態，然后液態，最后又變成固態。

你可能注意到了，液態的水比固態的冰具有更多的對稱性。為什么呢？假如你站在液態水的一個水分子上，不管朝哪個方向看，看起來都是一樣的。換句話說，液態的水沒有一個特殊的方向。我們說它是球對稱的。而固態的冰在所有方向上就不再無差別的了。你要是站在冰晶的一個水分子上看，你會發現，水分子在沿著晶格的方向上，排列更加齊整。晶格方向是它的對稱軸，冰晶具有軸對稱。

顯然，球對稱比軸對稱有著更多的對稱性。當物質從有著更多對稱性的狀態進入較少對稱性的狀態，我們就說“對稱性破缺”了。液態水變成固態冰，就是對稱性破缺的一個例子。

宇宙的冷卻也是對稱性不斷發生破缺的過程。根據大統一理論，在宇宙最早期，四種基本作用力——引力、電磁力、強核力和弱核力——是彼此不分的，然后經歷了一系列的相變，大家先后從“大統一”的狀態中分離出來。伴隨這一過程，物質的形態發生了激烈的變化。最終結果是，到了大爆炸之后0.01秒，終于變出了我們今天所熟悉的質子、中子、電子等組成普通物質的粒子。

宇宙相變的“殘留物”

宇宙相變還會產生一些副產品。宇宙學家預言，當相變涉及宇宙這么大范圍的時候，有些缺陷是不可避免要產生的。它們叫“拓撲缺陷”。關于這個，我們也可以在生活中找到例子。

冬天氣溫驟降，湖面結起厚厚的冰。假如你在冰面上行走，會發現冰面并非完整的一塊，這里那里總有一些裂縫。為什么呢？因為當氣溫下降時，由于每塊水域的自然條件存在差異，導致結冰有先后，而且各自為陣。比如某塊水域以A為中心結冰，而另一塊水域以B為中心結冰，每一塊都在膨脹、擴張，直到它們相撞為止。其結果是，在交界處，以A為中心的冰塊跟以B為中心的冰塊不能很好地銜接（譬如晶格的朝向不一致），于是裂縫就產生了。

再比如鐵氧體磁化的時候，也會出現小范圍內各自為陣的現象。某一小塊區域內的原子朝向固然已被調整到一致了，換句話說，已經被磁化了（這樣被磁化的小塊區域叫磁疇）。但這些磁疇各自為陣，朝向相當混亂，所以整塊鐵氧體依然顯不出磁性。在相鄰磁疇交界處，由于原子的朝向不一致，削弱了磁性，從而形成疇壁。只有消除了疇壁，所有原子的朝向都一致了，鐵氧體才算真正被磁化

這些冰面上的裂縫、鐵氧體上的疇壁，被稱為相變產生的拓撲缺陷。

為什么說宇宙在相變時，拓撲缺陷的產生是不可避免的呢？道理也一樣：宇宙在冷卻時，各個區域也是各自為陣的。第一，因為宇宙本來就沒有中心，沒有統一的“指揮部”；第二，因為要想讓各個區域協調一致，得有“信使”（即作用力）在彼此之間傳遞消息，可是作用力傳遞的速度無法超越光速，不可能無限快，再快的“溝通”也總是滯后的。這樣一來，拓撲缺陷就免不了要產生。在缺陷結構中，能量或物質相對集中，演化出一些怪異的天體，包括疇壁、單極子等，而最重要的，則是本文的主角——宇宙弦。

宇宙弦的演化

宇宙弦產生之后，又經歷了一系列的演化。其演化由三個要素決定：宇宙膨脹、宇宙弦的交叉和引力輻射。

首先，宇宙弦將隨著宇宙的膨脹而被拉長，這好比畫在氣球表面的一條線，氣球膨脹，線也被拉長。

其次，宇宙弦在宇宙早期應該大量存在，形成一張覆蓋全宇宙的網絡。由于每根宇宙弦的密度都大得驚人，當兩根宇宙弦相遇，就會在強大引力的作用下，振動、交叉。交叉時，發生形變，一部分獨立成環，其余形成新的宇宙弦（下圖a）。此外，因為宇宙弦又細又長，導致各部分受力（其他天體對它的引力）不均勻，一直在劇烈地振動，所以自身也會發生交叉。交叉時，形成獨立的宇宙環和新的宇宙弦（下圖b）。

最后，宇宙弦和宇宙環由于質量巨大，且在不停振動，會產生強烈的引力波輻射，在輻射中損失能量。所以宇宙弦隨著時間的推移會縮短，宇宙環則因為振動更劇烈，會完全蒸發。

這一切總的效果是：盡管宇宙弦在宇宙誕生之初是很多、很密的，但隨著它們相互交叉或自身交叉，形成宇宙環，宇宙環又因劇烈振蕩，輻射引力波而不斷消失，所以宇宙弦和宇宙環隨著宇宙的膨脹，變得越來越稀疏。計算機模擬表明，到今天，在可見的宇宙范圍內，大概僅存10根貫穿整個宇宙的長宇宙弦，以及大約1千多個小宇宙環。

宇宙大尺度結構的

“種子”

長期以來，天文學家一致認為，宇宙物質的分布（比如星系的分布）在大尺度上應該是均勻的，并把這上升為一條“宇宙學原理”。

但隨著觀測技術的不斷提高，他們發現，在宇宙三維圖中，滿布著“空洞”和“長城”，宇宙物質的分布遠非均勻。所謂的“空洞”，是指那里的星系比別處要稀少得多；所謂的“長城”，是指星系比別處要密集得多的地方。這些宇宙大尺度結構到底是怎么來的呢？一時讓人困惑莫解（見本刊2017年第10期《從大尺度看宇宙》一文）。

從傳統宇宙學角度，當前對此有兩種解釋。

一種解釋認為，這是宇宙早期物質漲落被放大的結果：宇宙誕生之初，雖然物質總體來說是均勻分布的，但由于不可避免的漲落，也可能出現這個地方物質多一點，那個地方物質少一點的現象。本來，物質交換頻繁的話，漲落是旋生旋滅，不能持久的，難以形成任何結構。但此時，一件意外的事情——暴脹——發生了。宇宙在大約短短10-30秒內，體積膨脹了大約1026倍，由一個氫原子大小膨脹到一個柚子般大小。暴脹時，宇宙物質迅速分離。這樣一來，由于物質來不及交換，暴脹前的漲落格局就得以保存下來。這些被暴脹放大了的宇宙早期的物質漲落，就是后來形成大尺度結構的“種子”。

另一種解釋，就是作為宇宙相變副產品的拓撲缺陷，尤其是宇宙弦。這些拓撲缺陷本來跨度就很大，而且它們的出現是必然的，所以只要在一段時間內被保存下來，就可成為搭建宇宙大尺度結構的“腳手架”。比如宇宙弦憑借其強大的引力，把周圍物質吸引到其身邊，孕育出恒星、星系，由此形成跨度極大的宇宙“長城”。宇宙環也是如此，在其消失之前，把星際物質吸引到其周圍，孕育出超星系團之類的大尺度結構。這正是今天的宇宙學家對它們感興趣的地方。

尋找宇宙弦

宇宙弦盡管對于塑造宇宙如此重要，遺憾的是，我們至今依然沒有直接觀測到它們，甚至在微波背景輻射中，也沒有尋找到蛛絲馬跡。但最近，有科學家聲稱，他們找到了證明它們存在的間接證據。

在天空中存在一類異常明亮的天體，叫類星體。據認為，類星體中心盤踞著超大質量的黑洞。類星體會在某個特殊的方向上產生極強、極明亮的噴流，天文學家據此可以識別它們。

美國布法羅大學的一個小組在研究了宇宙縱深處355顆類星體之后發現，其中183顆類星體的噴流朝向在天空中剛好排列成一個巨型的環狀。他們猜測，在這個巨型環的位置上，很可能最初有兩條宇宙弦發生了交叉，生下一個宇宙環，正是這個宇宙環影響了噴流的朝向。雖然后來它蒸發了，但噴流有規則的排列卻保留了下來。進一步的計算機模擬似乎也印證了他們的猜測。

此弦亦彼弦？

最后，順便提一下宇宙弦和超弦的關系。

在粒子物理學中，超弦理論曾經風靡一時。該理論認為，所有基本粒子其實是同一種物質在不同狀態下的表現，這種基本物質就是弦。比如說電子，現在的基本粒子理論假設它是沒有內部構造的一個點。但從超弦理論來看，電子并不是一個點，而是一個極小、極細的一維閉合弦。弦可以以不同方式振動。就像小提琴弦在不同的振動下會發出不同音調的聲音一樣，弦的不同振動模式表現為各種形態的基本粒子。超弦理論甚至認為，各種基本作用力，也是弦的不同振動模式而已，這樣一來。超弦理論就實現了物理學家夢寐以求的“大統一”。

這里且不談超弦理論的正確與否，只談談宇宙弦和超弦的關系。

最初，大家認為兩者毫無關系，此弦非彼弦。但后來有人提出，兩者或許是有關系的。

前面提到的宇宙弦，是宇宙相變中產生的一種拓撲缺陷。但2002年有人提出，假如我們認同超弦理論的觀點，那么在宇宙的“大統一”時期，宇宙（那時比一個質子還小）中應該充斥著無數微小的超弦。一部分弦在宇宙膨脹的過程中，同樣可以被拉伸成跨星系的大尺度的弦，而且表現出跟宇宙弦相似的特征。

如果是這樣的話，宇宙弦除了宇宙相變的起源，又多了一種起源：被拉伸的超弦。