宇宙中或布满看不见的弦组成的“蜘蛛网” 奏出一章弦乐交响曲

如果说，我们的宇宙充满了数百种几乎不可见的粒子，而且很久以前，这些粒子形成了一个跨越宇宙的弦的网络，你会怎么想?

这听起来既令人振奋又令人敬畏，但这实际上是对弦理论的一种预测，是我们对万物理论的最佳(但令人沮丧地不完全)尝试。这些奇异的，尽管是假设的小粒子被称为轴子，如果能够找到它们，那就意味着我们所有人都生活在一个巨大的“轴子宇宙”中。

这个理论的最好之处在于，它不只是一些物理学家的空想假设，没有检验的可能性。在不久的将来，实际上正在建造的微波望远镜可能会检测到这种难以理解的巨大弦网。

如果找到了，则“轴子宇宙”将使我们在解决……所有物理难题方面迈出一大步。

弦乐交响曲

首先，我们需要更好地了解轴子。子由物理学家(后来获得诺贝尔奖得主)弗兰克·威尔泽克(Frank Wilczek)于1978年命名，之所以得名，是因为它被假定为存在某种对称性破坏而存在。物理学家喜欢对称性，尤其是当某些模式出现在数学中时。

有一种对称性称为CP对称性，它表示物质和反物质的坐标相反时其行为应相同。但是这种对称性似乎并不自然地适合于强核力理论。解决这个难题的一种方法是在宇宙中引入另一种对称性，以“纠正”这种不良行为。但是，这种新的对称性仅在极高的能量下出现。在日常的低能量状态下，这种对称性消失了，并因消失而冒出来一个新粒子——轴子。

现在，我们需要转向弦理论，这是我们的尝试(并且这是我们50多年来的主要尝试)，以便在单个理论框架中统一所有自然力，尤其是重力。由于多种因素，这被证明是一个特别棘手的问题，其中最重要的是，要使弦论发挥作用(换句话说，数学甚至有希望解决)，宇宙必须具有比通常的三个维度更广的空间和一个时间;必须有额外的空间维度。

当然，肉眼看不到这些空间维度。否则，我们会注意到这种事情。因此，额外的维度必须非常小，并以很小的比例卷曲在自己身上，以至于无法正常地发现它们。

造成这种困难的原因是，我们不确定这些额外的维度是如何自动缩小的，并且大约有10 ^ 200种可能的方法可以实现。

但是这些维度排列似乎有一个共同点，那就是轴子的存在，按照弦理论，子轴是围绕某些卷曲维度缠绕并被卡住的颗粒。

更重要的是，弦理论不仅预测一种轴子，而是数百种不同质量的轴子，包括可能在强核力理论预测中出现的轴子。

傻傻的弦

因此，我们有许多质量各异的新型粒子。这太棒了!轴子是否可以组成暗物质吗?暗物质似乎负责给星系提供大部分质量，而普通望远镜却无法探测到它。也许，这是一个悬而未决的问题。但是作为暗物质的轴子必须面对一些具有挑战性的观测测试，所以一些研究人员转而关注轴子家族的较轻一端，探索找到它们的方法。

当这些研究人员开始研究这些轻量级轴子在早期宇宙中的预期行为时，他们发现了一些真正令人称奇的东西。在我们宇宙历史的最早时刻，宇宙经历了相变，将其整个特征从奇特的高能状态改变为常规的低能状态。

在其中一个相变(发生在宇宙诞生不到一秒的时候)中，弦理论的轴子没有以粒子的形式出现。相反，它们看起来就像环和线——一种轻型的、几乎看不见的弦组成的网络，纵横交错在宇宙中。

这种假想的轴子充满了各种各样的轻质轴子弦，除了弦理论外，没有其他的物理学理论可以预测它。因此，如果我们确定我们生活在一个“轴子宇宙”中，那将是弦理论的一大福音。

光线的变化

我们如何搜索这些轴子弦?模型预测轴子弦的质量很低，因此光线不会撞到轴子上并弯曲，或者轴子可能不会与其他粒子混合。现在可能有数百万条轴子弦在银河系中漂浮，而我们却看不到它。

但是宇宙又老又大，我们可以利用它来发挥自己的优势，尤其是当我们认识到宇宙也是背光的时候。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙中最古老的光，在它还是一个婴儿的时候发出——大约38万年。这些光已经浸透宇宙几十亿年了，穿过宇宙直到它最终撞到了什么东西，比如我们的微波望远镜。

所以，当我们观察CMB时，我们看到的是数十亿光年的宇宙。这就像透过一系列蜘蛛网看手电筒的光：如果有一个穿过宇宙的轴心线网络，我们有可能发现它们。

在12月5日发布在arXiv数据库中的一项最新研究中，三位研究人员计算出了一种轴子宇宙对CMB光的影响。他们发现，取决于一束光在特定轴子附近通过的方式，该光的偏振方向可能会发生偏移。那是因为CMB的光(以及所有光)是由电场和磁场波组成的，光的偏振告诉我们电场的方向-当CMB的光遇到轴子时，这种情况会改变。我们可以通过使信号通过专门的滤波器来测量CMB光的偏振，从而挑选出这种效果。

研究人员发现，一个充满弦的宇宙对CMB的总体影响导致了大约1%的极化转移，这正好在我们今天可以检测到的范围之内。但是，目前正在设计未来的CMB映射器，例如Cosmic Origins Explorer，用于从宇宙背景辐射检测(LiteBIRD)进行B模式极化和膨胀研究的Lite(Light)卫星以及Primordial Inflation Explorer(PIXIE)。这些未来的望远镜将能够探测出一个轴子宇宙。一旦这些映射器上线，我们要么会发现我们生活在一个轴子宇宙中，要么就会排除弦理论的这种预测。

无论哪种方式，都有很多需要解决的问题。

原文出处：https://www.livescience.com/universe-filled-with-axion-strings.html，《The Universe May Be Flooded with a Cobweb Network of Invisible Strings》，作者：Paul Sutter