解开宇宙弦

作者是特邀撰稿人埃洛伊丝·查库尔

理论物理学常因缺乏可观测的预测而受到批评。然而，加拿大在研究存在于理论物理学和观测物理学边界的迷人物体方面处于前沿:宇宙弦。这些理论对象可能为当今物理学中一些最大的问题提供答案。

最迫切的问题是:宇宙弦和弦理论是一样的吗?

尽管名字很相似，但宇宙弦和弦理论是最相似的不相关的概念．弦理论描述亚原子粒子的理论，世界的组成部分，是微小的吗振动弦的能量。另一方面，宇宙弦不是理论，而是存在于天文尺度上的物体，而不是亚原子尺度。它们出现在各种宇宙学理论中，其中一些(尽管不是大多数)属于弦理论的范畴。但即使你希望讨论弦理论，也不要绝望!宇宙弦也很值得你花时间。

什么是宇宙弦?它们从何而来?

在大爆炸后的前几分之一秒，宇宙是一个混乱的地方．它一开始非常热，密度很大，在它冷却和膨胀的过程中发生了许多有趣的过程。特别是，宇宙经历了相变。你可能认识这个词相变在早期的科学课上，你学到了水结冰的原理。虽然早期宇宙的背景是不同的，但基本的想法是一样的。类似于温度的变化如何将水变成冰，宇宙的温度和压力的下降导致它在存在的最初时刻经历相变。如果我们把这个类比更进一步，我们可以想象一个与宇宙弦被创造的条件相似的情况。当水结冰时，分子会形成有序的晶体。然而，晶体的结构并不总是完美的。不完美杂质、物理干扰或特别快速的冷却过程等各种因素都有可能引起。物理学家认为宇宙也是如此:当它经历相变时，这个过程并不完全完美，时空结构中也产生了一些不完美。我们称之为不完美拓扑缺陷．宇宙弦一个例子这些缺陷。

在这一点上，水与冰的类比就不成立了。事实上，没有一个完美的类比可以将宇宙弦等同于冰晶中的缺陷。相反，你可以把宇宙弦想象成长,管状(有人甚至可以说是“弦状”)时空缺陷，在宇宙的相变过程中能量被困住。宇宙弦也不像冰晶中的缺陷，因为它们不是被困在一个单一的位置。它们不仅可以在空间中移动，而且确实可以移动接近光速！当宇宙弦在空间中移动时，它们会留下尾流。这类似于船在湖面上产生的效果，只不过它是由能量而不是水构成的。宇宙弦尾迹引起了物理学家的极大兴趣，因为它们是这些理论物体在现实世界中最容易观察到的效应。由于物理学家还没有通过实验或观测数据证实宇宙弦的存在，寻找观测宇宙弦或其直接影响的方法尤为重要。

宇宙弦的重要性

理论物理学家可能会满足于宣称基础科学具有内在价值，在追求知识本身的过程中所做出的发现往往会在未来的道路上产生有用的应用。然而，宇宙弦有更多的贡献。宇宙弦的尾迹对宇宙提供了可测量的、可观测的影响，可以使用现有的观测天体物理学技术来预测和寻找。

此外，宇宙弦出现在许多所谓的大统一理论(勇气)。GUTs——你可能听说过这个术语万物理论-这些理论汇集了物理学中所有的基本力，受到物理学家的高度追捧，因为它们以完整和一致的方式解释了宇宙。宇宙弦提供了一种观察现实世界的路径，可以潜在地确定哪些GUT候选者值得追求，哪些注定要被回收。

加拿大的宇宙弦

加拿大将自己定位为宇宙弦研究的世界领导者。从圆周研究所-加拿大最杰出的理论物理研究所-到全国各地的物理系，加拿大物理学家都参与了理论和观测宇宙弦的研究。2021年，加拿大物理学家协会授予了其久负盛名的称号物理学终身成就奖麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格博士，很大程度上是因为他对宇宙弦的理论研究。

在观察方面，我们只需要看看纳米重力物理前沿中心这是一个加拿大和美国的引力波观测天体物理学合作项目。麦吉尔大学、加拿大理论天体物理研究所和英属哥伦比亚大学这三家加拿大机构是这次合作的关键参与者。许多研究人员认为，他们的一些最近的数据可以宇宙弦的存在很好地解释了这一点甚至可能一劳永逸地证明它们的存在。如果这是真的，宇宙弦的存在将为GUT候选者提供独特的有力支持，从而彻底改变物理学并完全改变我们对宇宙如何运行的理解。

宇宙弦在理论物理学中占有重要的地位，因为它们提供了建立GUT的路径。虽然到目前为止它们还完全停留在理论领域，但最近的发展，比如来自NANOGrav中心的数据，可能很快就会改变这一点。这种合作是加拿大在宇宙弦研究方面强大的领导传统的另一个方面。我们期待看到宇宙弦将在未来GUT研究的发展中发挥什么样的作用。

功能图像: Uros Seljak, CC 4.0。