宇宙時空結構有缺陷嗎？

註：不要吝嗇你的思維和想法，歡迎來「噴」！

【請注意-前方高能燒腦模式】愛因斯坦的廣義相對論最大的特點就是是空間本身不是一個平坦的，不變的絕對實體。相反它可以編織在一起，隨著時間的推移，成為一種單一的織物：時空。這種織物是連續的，平滑的，並且由於物質和能量的存在而變得彎曲和變形。存在於該時空內的一切都沿著由該曲率限定的路徑移動，並且其傳播受到光速的限制。但是如果這種織物有缺陷呢？這不是科幻小說，而是理論物理學中的一個真正的想法。

宇宙的結構，時空，是一個很難理解的概念，但是多虧了也感謝愛因斯坦的廣義相對論，我們才能夠面對挑戰。圖片：Pixabay user JohnsonMartin

想提出的主題是高能的「遺迹「，如疇壁，宇宙弦，單極子，等等。如果能更多地了解這些缺陷到底是什麼，它們的起源是什麼，它們可能有什麼性質，這可能是我最激動人心的部分，我們期望它們看起來像是和「普通」宇宙相互作用，那就太好了。

一個有缺陷的宇宙，當歸結到它的時候，在數學上很容易得到。

地球圍繞太陽的引力行為不是由無形的看不見的引力，而相對論得到更好的解釋：是由地球通過太陽支配的彎曲空間自由下落。然而即使在這種情況下，空間的曲率仍然非常小，並且沒有缺陷。圖片：LIGO/T. Pyle

儘可能地嘗試和想像空間，它是什麼樣子的？你以為它是空的、平滑的、大多是均勻統一的？你有沒有想到，唯一的差是由於存在的質量和量子的能量？這是一個很好的方法，也是物理學家通常採取的方法。在最大的尺度上，我們期望它像一個三維網格，其中唯一的偏差是低空間曲率的小區域，這是我們所知道的重力所產生的。在這種機制中空間將處於最低能量狀態。

時空的結構，插圖說明了由於質量引起的漣漪和變形。但據我們所知時空不會會折回或摺疊起來。

但是激發態呢？其它的呢？為了簡化它讓，我們拿走兩個空間維度，只考慮一維：一線。直線可以是直的、開的、無限的，也可以是閉合的，就像一個圈。這兩個都是能量最低的線。更高的能量狀態會是什麼樣子？想像一下，你把你的線，使它鬆軟，像一個字元串。現在想像一下，你在繩子上打結了，只是一個圈，交叉，褶，和拉。無結弦表示最低能量狀態的一維空間；一個有一個結的弦表示第一激發態的一維空間。這是一個零維的拓撲缺陷的結。

結綁在一系列類似於沿一維線零維缺陷。一個相反的手性結，如果它碰到這個結，可以解開它們，恢復最低的能量狀態。圖片：Public Domain / Pixabay

現在你可以使用含結線做一些有趣的事情。你可以用同樣的方法在另一個結上打結，現在你會有兩個拓撲缺陷結。但在相反的方向如果你打個結，即你犯了同樣的循環，你把縱橫交錯的結拉相反的方向，你再打一個結，原來的拓撲相反的結。如果你非常小心地把原來的結和這個新的，相反的打結結在一起，你會發現它們會互相抵消，使你再次回到最低的能量狀態。（這個「打結」問題小編理了幾下，應該沒有邏輯錯誤吧？有的話歡迎在評論區留言指正）

那麼這兩種類型的零維缺陷結和反結，在我們的宇宙中有物理類比：磁單極子。結對應於孤立的北磁極; 一個反結對應一個孤立的南磁極。如果你遇到另外一個人，就會像物質和反物質一樣湮滅，並將時空的結構恢復到最低能量狀態。因為它們只是點狀粒子，單極子的行為就像正常的物質，與我們今天宇宙中的電動單極子（正電荷和負電荷）沒有太大的不同。

磁單極子的概念圖，發射磁場線的方式與隔離電荷發射電場線的方法相同。圖片：BPS States in Omega Background and Integrability?—?Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116

現在讓我們現在回到我們的三維宇宙。你可以想像不只是點狀缺陷，還有更高維度的缺陷：

1、宇宙弦：某種一維線貫穿整個可觀察的宇宙。

2、疇壁：一個二維平面，具有不連續的性質從一邊到另一邊（穿過宇宙）

3、宇宙紋理：三維空間某一區域被「打結」之處

所以我們有可能性的單極（0-D），串（1-D），壁（2-D）和紋理（3-D）缺陷，它們來自同一類的不同機制，即每當一個對稱被打破。

根據標準宇宙學（L）和一個具有顯著拓撲缺陷（R）的網路所產生的宇宙之間的差異賦予了巨大不同的大型結構。作為現代宇宙的主要組成部分我們有足夠的觀察力來排除宇宙弦和磁疇壁。圖片：Andrey Kravtsov（宇宙模擬，L）; B. Allen＆EP Shellard（在宇宙弦中模擬宇宙，R）

對稱性破壞在物理學上是一大難題。存在的每一個對稱都對應一個守恆量，如果對稱破了，這個量就不再守恆。你可以打破一個球對稱產生磁單極子；你可以通過破壞球形對稱來生產單極子 ；你可以通過破壞軸向或圓柱形對稱來產生弦；你還可以打破離散的對稱性（如奇偶校驗或鏡像反射）可以創建疇壁；這些尤其是前三：單極子，宇宙弦，疇壁是宇宙學家特別感興趣的。

統一觀點認為：所有三種標準模型力，甚至更高能量的引力，都是統一在一個框架內的。圖片版權： ABCC Australia 2015

我們知道標準模型不可能全部存在，並且有許多擴展可能會引起迷人的可觀察的結果。一個是大統一的想法，電磁，弱和強的核力量在一些高能量下統一起來。這不僅會導致新的粒子和新的相互作用力的存在，而且當保持強力與其他兩個破碎的對稱性時，應該產生磁性單極子。我們可觀測的宇宙中缺乏磁性單極子通常被認為是宇宙暴漲的證據，進一步的證據表明，宇宙在暴漲結束後從未變得足夠熱，以恢復大統一理論的對稱性。

如果恢復大統一的對稱性被打破,，大量的磁單極子會產生。但是我們的宇宙並沒有表現出來，如果宇宙膨脹在對稱性被打破之後發生，至多一個單極仍然存在於可觀測宇宙中（想想這樣浩瀚的宇宙中最多一個磁單極存在你如何能找到它？）。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

宇宙弦和疇壁將在相變過程中產生，如果它們存在，則在暴漲結束後不久。可能會有額外的高能量對稱性在早期恢復，當它們被破壞時可以創建這些缺陷。宇宙弦和疇壁，無論是單一的還是其中的一個網路，將在宇宙的大型結構中留下印記，而紋理將顯示在CMB中，單極子將顯示在直接檢測實驗中。有些物理學家開玩笑地指出，在1982年情人節發現的磁單極子是宇宙膨脹的證據：在整個可觀測的宇宙中只有一個單極，我們看到了！

在982年在Blas Cabrera的領導下進行的一項試驗，其中有八圈線，檢測到八個磁鐵的磁通變化：磁單極子的預示。不幸的是在檢測時沒有出現，沒也有人再現過這樣的結果或發現了第二個單極子。圖片：Cabrera B.（1982年）用於移動磁性單極子的超導檢測器的第一個結果 Physical Review Letters，48（20）1378-1381

雖然單極子會像物質一樣，宇宙弦，疇壁或宇宙紋理的宇宙將以主要方式影響宇宙的擴張。宇宙弦將表現得像空間曲率，一些限制為小於約0.4%的總能量密度；而疇壁會產生的暗能量加速宇宙膨脹以至於我們觀察到的；宇宙的紋理也會有同樣的效果即一個宇宙常數，但是整個可觀測的宇宙必須包含在一個單一的缺陷以解釋我們的觀察！

宇宙能量密度的各種組成部分，以及它們可能主宰什麼時候。如果宇宙弦或磁疇壁存在於任何可觀測的數量上，它們將大大促進宇宙的膨脹。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

單極子，弦，牆，紋理和任何其他缺陷應該是超重的，如果它們存在。單極子應該是發現最大的「顆粒」，如果是真實的，大約是頂夸克的100萬億（10^14）倍。疇壁和紋理應作為大型結構的基礎，在任何其他結構形成之前將物質拉入其中，並且在今天望遠鏡觀測和CMB數據中創建應該非常清晰的標籤。但現代限制訴我們這些結構不存在任何大量的並且不超過宇宙總能量預算的百分之幾。

這是我們宇宙的微波背景及其波動範圍指向尺度不變性，而宇宙弦網在圖的最左邊會顯示出一個非常陡峭的上升。圖片：Takeo Moroi＆Tomo Takahashi

到今天為止沒有證據表明我們的宇宙是有缺陷的，除了那一個觀察一些35年前的一個磁單極子。雖然我們不能否定它們的存在（我們只能限制它）。但我們必須對這些拓撲缺陷不被禁止的可能性保持清醒的頭腦，而且許多對物理標準模型的擴展都需要它們。在許多情況下，如果它們不存在，那是因為一些額外的東西必須限制它們。沒有證據不等於沒有證據，但在我們看到其他東西指出宇宙中存在一個拓撲缺陷時，我們必須把這個想法留在推測的階段。

原作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

編譯：光量子，審校：博科園

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