| 词条 | 宇宙弦 |
| 释义 | 宇宙弦（Cosmic string）是假设性的、理论上可能存在的时空。假设宇宙弦是成立的，在不同时空产生第一阶段变化时，在域边界取得了的两个地区之间的那个“弦”。这有点类似于界限之间形成晶体颗粒，在凝固的液体，或裂缝形成时，水冻结成冰。在我们的宇宙，如相变化可能发生在早期作为宇宙的形成。 它应出现于宇宙极早期时间，在大爆炸之初，0秒到1秒之间的极短瞬间。 主要形态此种物质的形态可能为封闭的环，可作弦式振荡，所以取名宇宙弦。宇宙弦这一物理概念是1981年维伦金等人提出来的，他们认为，宇宙大爆炸所产生出的威力应该形成无数细而长且能量高度集聚的管子。这种管子便被叫做宇弦。理论工作者赋予宇宙弦的性质是异乎寻常的。它有点儿象蜘蛛丝，但远比原子还细。你可以穿过它走路而绝不会发现它。但是，一厘米的宇宙弦比整座喜马拉雅山的质量还要大，而且质量是可变的，完全取决于其张力：拉的越长，绷的越紧，质量越大。它的强度也极大。宇宙弦的活动与其临近的天体、宇宙膨胀密切相关。 性质宇宙弦是一个假设性的一维拓扑缺陷，在面料的时空。宇宙弦是假设成立时，不同地区的时空中进行第一阶段的变化，取得了域边界的两个地区之间见面时的。理论家赋予宇宙弦的另一个奇特的性质就是：要么伸展到无穷远处，要么形成闭合的无终点的环圈。 物理学家认为一直认为自然界有对称，例如亏子与轻子也是三族，又或正反粒子，CPT守衡等等.但物理界并不如我们所想般对称，如CP不守衡，而最大之不对称(asymmetry)是费米子及玻色子之自旋性，费米子要自旋两个圈才可见回原本景象，而玻色子只需自旋一个圈。 超对称理论物理学家建立了N=8的“超对称理论”(Supersymmetry / SUSY)统一费米子与玻色子，那是认为这个宇宙除了四维之外，还有八维，这个八维宇宙叫超空间(superspace),然而这额外的四维不可被理解为时间抑或空间，八维宇宙是由费米子居住，物质可透过自旋由四维空间转入费米子居住之八维，又可由八维转回四维，即玻色子可换成费米子，费米子可转换成玻色子，它们没有分别，我们之所以看到它们自旋不同只不过是我们局限于四维而看不到八维的一个假象。 我打个比喻，如果你在地球上只会感同到三维(上下前后左右),我们虽然知道时间之存在，然而我们眼睛看不到，眼睛只帮我们分析三维系统，然而有可能这个世界是八维，而因为眼睛只可分辨三维而你无法得知。 进行研究科学家称这些一对之粒子为超对称伙伴(supersymmetric partner),如重力微子(gravitino),光微子(photino),胶微子(gluino),而费米子之伙伴叫超粒子(sparticle),只不过是在费米子前面加一个s,如超电子(selectron).可是我们知道费米子无论怎样转也转不出玻色子，亦没有发现费米子或玻色子转出来的超对称伙伴，例如电子就不是由任何已知玻色子转出来，假如每一玻色子或费米子都有其超对称伙伴，世界上之粒子数将会是现在的两倍。 其他观点有认为超对称伙伴质量比原本粒子高很多倍，只存在于高能量状态，我们处于安静宇宙是不能够被看见，只有在极稀有的情形下，超对称伙伴会衰变成普通的费米子及玻色子，当然我们尚未探测到超对称伙伴，否则就轰动啰！ 然而在超对称理论背后，弦理论(strange theory)正慢慢崛起，它也是为了统一费米子玻色子.弦理论认为这个世界无论玻色子抑或费米子都是由一样东西－弦(string)所组成，弦就像一条绳子，不过事实上它们真的太小向前地，故它们形成粒状的粒子 举例说明起初物理学家认为闭弦理论必须是十维，因为只有十维的闭弦理论方可被重正则化(Renormalization),重正则化是物理学家为解决量子电动力学中出现'无限'所用的一个巧妙手法，其中多个无限项问题都与自我作用(self-interation)有关，我举一个电子与电磁场之无限项例子： 电磁力之影响范围遵从平方反比定律，即1除距离之平方，电子与自己的距离是0,故影响自己之范围是1除0,等于无限，由于E=mc2,故电子质量岂非无限大！那和观察结果不乎.重正则化利用无限减无限得有限之方法计出电子质量(因为有限加无限也是无限)。 荷兰物理学家Hendrik Kramers认为电子之质量是由两个质量-bare mass及infinite mass组成，利用麦斯威尔方程(Maxwell Equation)计出另一个电子质量，又是无限，用第二个质量减第一个质量，剩下的就是bare mass,即电子正常质量。 当然那不是样样东西都可以重正则化，你要好巧妙地把式定成：(无限)-(无限+少少)=(少少),否则答案会是零，或答案尚是无限，最成功的例子是利用重正则化解释兰伯移动(Lamb Shift),兰伯移动解释在一条轨道上之两粒不同态之粒子(旋上旋下)能量有少许分别，所以旋上电子变成旋下电子会放出21.11cm微波辐射. 事实上现今物理学上一个理论是否可行完全要看它是否可以被重正则化。 “宇宙弦”理论的起因1. 大爆炸宇宙学不能解决“不均匀”问题 在极遥远的古代，人类就在试图弄清“天地玄黄、宇宙洪荒”的奥秘。在当代，能相对成功地解释宇宙演变过程的是大爆炸宇宙模型。 大爆炸理论是20世纪40年代由美国物理学家乔治·伽莫夫（1904～1968年）等人提出来的。它认为宇宙间所有的物质和能量原先曾经集中在一个时空点内，在100～200亿年前的某一时刻，原始火球由于某种原因而爆炸，我们的宇宙就诞生了，并且一直膨胀到目前的状态。 但是，大爆炸宇宙模型并没有解决全部问题，例如它解释不了宇宙结构的局部不均匀性。这大爆炸模型要求整个宇宙的物质应当均匀分布，然而目前宇宙中的物质却不是这样，而是呈“团块”状结构，甚至包括星系、星系团、超星系团。这样就不得不另辟蹊径来解决这一矛盾。这正是天文物理学家想出宇宙弦理论的原因。 2. 宇宙观测的新发现 大爆炸宇宙学理论认为，尽管宇宙中的大多数恒星都组成称为“星系”的团块，星系又组成更巨大的星系团；可是从宇观的角度看来，整个太空还是各向同性的。然而，随着天文观测技术的迅速发展，新的发现使人们不得不重新考虑这个问题。 80年代，美国加利福尼亚卡内基学院观察站的红外线光学望远镜，发现星系以非常复杂的方式排列，“这些星系看上去像雕刻上去的，而不是爆炸溅射出来的”。更不寻常的发现是宇宙中的巨大空洞和巨大的星系链。1986年发现银河及其近邻正在向室女座运行，这表明存在一种强大的引力源，其质量相当于太阳质量的5´1019倍。1989年的观测证实了这个“星系大陆”的存在，发现它对周围的数百万其他星系都有稳定的吸引力。美国哈佛-施密松天体物理中心的一个科学小组（cfA）的科学家们在做红移巡天观测中发现，宇宙中有泡沫样的结构，即宇宙中有些天区几乎空无一物，被称之为“宇宙空洞”。1989年，这个cfA科学小组巡天观测了几千个星系，发现在距地球3亿光年的地方有一个长约5亿光年，高约2亿光年，厚1500万光年的超星系团“巨壁”。这是目前已知的宇宙种存在的最大的天体星系链，它们像“珍珠项链”，交叉在浩瀚的宇宙之中，宛如中国巍巍壮观的长城，所以天文学家把它叫做“宇宙链”或“宇宙长城”。这就以发现说明了宇宙天体的表观尺度并不是星系或星系团，而可能是更大的东西。它们的结构巨大而古老，对现在的宇宙大爆炸模型提出了挑战。为此，物理学家们开始考虑修改宇宙的有关理论，引入了“宇宙弦模型”。 大爆炸超高温相变的遗迹物理学家能通过宇宙弦理论推断当前的宇宙结构是怎样演变的。这种理论使物理学家能用精确的物理过程解释宇宙的大尺度结构，并提出可被验证的精确预言。如果宇宙弦理论被证明是正确的，人类对宇宙大尺度结构的认识就能建立在一个稳固的基础上。那么宇宙弦到底是如何产生的呢？ 根据“弱──电”统一理论或大统一理论，物理学家认为在大爆炸后第10^-35秒有了宇宙弦。距离大爆炸时刻越近，宇宙的温度就越高。让我们逆着时间箭头来看：宇宙在大爆炸后的第30分钟，达到的温度足以从光子产生一对对的“电子——正电子”；第3分钟，温度高到足以使原子核分裂成质子和中子；第1秒钟，弱作用力开始起作用；在第0.01秒，温度高到足以将质子和中子分裂成夸克，夸克再通过强相互作用而结合。在此之前物质又是什么样子呢？ 在大爆炸后最初阶段的极高能量状态下，引力、电磁力、弱力和强力之间没有区别，只存在于一个统一场之中。然而，当时又会产生超高温相变，宇宙弦就是这种超高温相变的遗迹，它是相变中线状的缺陷。这些缺陷包含着大爆炸后的高能残余——极细极重的统一场。宇宙弦的存在是根据大统一理论推测出来的。 奇特性质由上面的机制所形成的宇宙弦，可以说是一个极高密度的能量线，它非常细，直径仅为10^-29厘米（相当于氢原子核半径的10倍），它又是异常地重，密度为每立方厘米10吨。宇宙弦形成之后，会发生一系列的“重联”（每条弦的两端相互连接起来，或是与其它弦的两端相联）而演变成大小不同的环状弦或横贯宇宙的长弦。由于这种弦的密度极大，因此引力极强。一段具有两个端点的有限（短）弦，会很快地收缩形成一个点而消失。因此，存在于宇宙中的弦只有两种：一是横贯宇宙无限长的直弦，另一种是各种大小的环形弦。 根据计算，大约有20%的宇宙弦是圆圈形的，其它的弦横越整个宇宙。无限长的宇宙弦并不是直的，而是弯弯曲曲的。全部弦的集合构成了布满空间的网。虽然弦的质量很大，但是弯弯曲曲的弦却是极度绷紧的，其张力更大，使它们以接近光速的速度振动，并时而互相碰撞。 在由环形弦和无限长弦构成的宇宙弦网中，只有环形弦才能吸引周围的物质形成各种天体结构，而无限长的弦却不吸引物质。整个宇宙弦网是按照“自我复制”的方式演化的。这就是说，宇宙在发展过程中，整个结构并不发生变化，只是在宇宙的膨胀中被放大。如果在两个不同时候给宇宙弦照像，然后再把前一张照片按某种比率放大，两张照片将是非常相象的。 现在宇宙真的是由这些极微细网状结构形成的吗，有什么证据吗？ 直接观察宇宙弦恐怕是极端困难的，因为环形弦在产生星系的过程中已经由于引力的辐射而衰变了，长形的弦是否较多地存在于宇宙中还不得而知，况且这种极微细的结构又不发出可见光和任何电磁辐射。这一切都使得对宇宙弦的观测充满了困难。产生宇宙弦的高难条件，也使得人们几乎不可能在实验室中将它模拟制造出来。但即便这样，还是可以通过其它的方法来发现是否真的存在宇宙弦这种神奇的结构。 对宇宙结构的理论解释不论宇宙弦是否存在，用它对宇宙结构进行阐述却很圆满。包括物理学家、天文学家极为头痛的新发现的各种复杂的天体结构，似乎都可以一下子解释清楚。恐怕这也是物理学家对宇宙弦报以极高热情的原因之一。 宇宙弦诞生于大爆炸时刻的高温相变。在宇宙大爆炸初期，由于压力太大，物质还不能有所聚集。大爆炸后的第一万年，宇宙还是由宇宙弦网以及均匀分布的辐射和物质构成其格局，环形弦还不足以把物质吸引到它周围。但是，在一万年后，压力急剧下降，物质也开始聚集，此时宇宙弦的能量比刚形成时少了，这是由于辐射引力波而失去一些能量，但是弦的密度比其它物质下降要慢得多。 宇宙弦圈吸集物质的质量与它本身的质量成正比，因此较小的弦圈吸集相对较少的物质；较大的弦圈不仅吸集更多的物质，而且将较小的弦圈也吸集到它周围。这样，较小的弦圈形成星系，较大的弦圈就形成星系团，甚至更大尺度的集团结构。 这样以宇宙弦为基础的宇宙模型，就能预言星系和星系团的数量和结构。宇宙弦是在大爆炸的高温相变的一瞬间形成的，宇宙弦网的布局结构应该在宇宙天体的各种结构中得到反映。用它也就很容易地解释了空洞、星系链和片状结构等，而这些都是大爆炸宇宙模型难于解释的问题。 探测宇宙弦宇宙弦是以引力辐射的形式失去大部分能量的，因而它产生的引力波应该能被观察到。可是至今这种引力波的效应确实没有被测到过（尽管天文学家相信这是由于目前的观察技术不足）。另外，宇宙弦应该能引起2.7K宇宙背景辐射的微小突变，这种突变目前也未被观测到。 但是也有宇宙弦存在的证据。由于宇宙弦能使光线发生偏转、因此在宇宙弦后面的类星体会呈现双影像。如果光线偏转是由点状引力源引起的，那么造成的“多像”会是奇数；如果是由宇宙弦引起的，那么就会观察到双像。1987年，两个美国天文学家已经观察到了4个成双像的类星体，这也许是人类第一次观测到了宇宙弦。 澳大利亚天文学家声称得到了宇宙弦存在的明确证据。他们观测到一种质量巨大的引力体，使银河系及其邻近的星系以每秒1000公里的速度向其集中。研究证明，这种巨大引力体的形状不是球形的，而是长达240万光年的长圆柱体。他们推断说，这种引力体是一个巨大的宇宙弦环。 要最终解开宇宙弦这个谜，恐怕还需要很长时间。 伸缩性宇宙弦是长的具有微小的重的物体，它们可能在宇宙的早期形成，它们就会因宇宙的膨胀而今一度伸展，而且一根单独的宇宙弦在现时刻可以横贯穿我们观察到的宇宙的整个尺度。 宇宙弦不应与弦理论中的弦相混淆，虽然它们并非完全无关，但它们都是具有长度并只有微小截面的物体。 宇宙弦具有非常大的伸缩性，其张力大概有一亿亿亿吨，如果一根宇宙弦系在地球上能使地球在1秒内加速到2899Km/h。 |
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