塑造了宇宙的“弦”

岑夫子

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。

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。

冷却的过程必然伴随着物质形态和性质的变化，即通常所说的相变。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，終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找到例子。

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。

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）。

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。

寻找宇宙弦

宇宙弦尽管對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，也没有寻找到蛛丝马迹。但最近，有科学家声称，他们找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。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。