从磁单极子到宇宙暴胀:宇宙的终极理论究竟在哪里?

翻译:可乐不加冰审校:陈星对于磁铁,我们早已司空见惯:每块磁铁都有南极和北极。在我们的宇宙中,磁单极子看起来好像是不存在,但是并没有特别基础的理论能够证明孤立的南极或北极,也即“磁单极子”是不存在的。

翻译:可乐不加冰

审校:陈星

对于磁铁,我们早已司空见惯:每块磁铁都有南极(S极)和北极(N极)。如果你把一块条形磁铁劈成两半,你并不会得到一个孤立的南极和一个孤立的北极,恰恰相反,这两块磁铁都有各自的南北极。

在我们的宇宙中,磁单极子看起来好像是不存在,但是并没有特别基础的理论能够证明孤立的南极或北极,也即“磁单极子”是不存在的。在19世纪,麦克斯韦将电磁理论进行了总结,将电、磁、光进行了统一,写出了著名的麦克斯韦方程组。在这个方程组中,也没有任何迹象表明有磁单极子的存在,因此麦克斯韦直接在方程组中给出了磁单极子并不存在的结论。

然而,从现代物理学的角度来看,麦克斯韦的理论只是一种经典理论,在过去的一百多年里,量子力学等理论的发展使得我们对电磁世界的认识不断在刷新和升级。这些升级使得我们的宇宙中允许存在一些之前我们想象不到的东西,这其中就包括一直被认为不存在的磁单极子。

从磁单极子到宇宙暴胀:宇宙的终极理论究竟在哪里?

为了寻找磁单极子,我们必须回到最最开始的时刻,也就是宇宙大爆炸的时候。在大爆炸开始的一瞬间,那个时候的宇宙遵循和我们现在完全不一样的物理规律。由于当时的温度、密度都非常非常的高,以至于现在的一些基本相互作用,甚至是全部的基本相互作用,都是完全统一的。

从磁单极子到宇宙暴胀:宇宙的终极理论究竟在哪里?

现在,我们知道自然界有四种基本相互作用,分别是万有引力、电磁力、强力和弱力。尽管我们无法用理论将它们全部统一起来,但是至少目前,在适当的条件下,电磁相互作用和弱相互作用是可以统一成电弱相互作用的(电弱统一理论,简称GWS理论)。当能量更高的时候,比如在宇宙大爆炸的初期,我们可以把强相互作用也统一进来,形成大统一理论(简称GUT理论)。这样,宇宙中就是剩下万有引力和GUT力了。

从磁单极子到宇宙暴胀:宇宙的终极理论究竟在哪里?

当然,目前我们只是有一些迹象表明GUT理论可能会以什么形式呈现,这个理论本身尚未发展完全。但是,关于GUT力是如何“分裂”(物理上称作“相变”)成我们现在所看到的强力、弱力和电磁力的,科学家们有一些比较有趣的想法。

GUT的相变被认为是非常简单粗暴和突然的,它发生在宇宙诞生的第一秒内,这种剧烈的变化会在时空中留下缺陷。这就好比一盆水突然迅速地结冰了,由于不同区域的水结冰的速率和时间并不相同,因此形成的冰立方晶体也不是完全均匀一致的,内部的晶体结构会有很多的缺陷。这些缺陷构成了我们现在所能看到的丰富多彩的宇宙。

而在众多的缺陷中,一种零维的类点拓扑缺陷,其物理性质就如同磁单极子。由于GUT的相变是在全宇宙时空里进行的,而且这个相变的能量巨大,所以现在的宇宙时空中应该充满了各种各样的缺陷,其中就有磁单极子。如果GUT理论是正确的,磁单极子就应该像黑洞和中子星一样,虽然奇怪,但是完全可以被我们观测到。

然而我们至今没有观测到磁单极子的存在。当这个问题在上世纪60年代末首次被提出时,很多宇宙学家为此感到担心,怀疑我们的GUT理论是否正确。得益于宇宙微波背景辐射的发现和无线电类星体分布等证据的发现,宇宙大爆炸理论很大程度上被越来越多的人所接受。粒子物理的标准模型也在微观领域取得了前所未有的成功。尽管GUT这个层次的物理我们尚未能完全理解,但是现代物理学的发展似乎能告诉我们,我们至少还走在正确的轨道上。

所以,我们的磁单极子去哪儿了呢?

宇宙学家阿兰·古斯提出了一个新的观点,或许正是GUT相变本身使得磁单极子消失了。他认为,在GUT相变的过程中,通过“暴胀”触发了一个极其快速的膨胀过程。

这样的暴胀使得我们的宇宙远比我们能观察的要大得多,磁单极子在空间中的密度骤然下降,降低至以目前仪器无法探测到的数量级。即便是在我们能观察的范围之外,也只有更多的恒星、星系以及其它熟悉的宇宙实体。

简单来说,阿兰·古斯的理论就是把磁单极子藏在“宇宙的地毯”之下:GUT相变产生了磁单极子,接着宇宙发生暴胀,使得磁单极子之间彼此相距很远,远到任意一块可观测的宇宙平均只包含一个磁单极子。这样,尽管在宇宙大爆炸初期产生了大量的磁单极子,但是现在,我们几乎不可能察觉。

当然,宇宙暴胀理论是对一个假设问题的假设解决方案。也许我们的GUT理论本身就是错误的,磁单极子不可能在宇宙大爆炸初期产生;宇宙暴胀的机制我们也并不完全了解。但是,宇宙暴胀已经成为现代宇宙学理论中不可或缺的重要组成部分。无论GUT相变是否会产生磁单极子,宇宙暴胀已经能解释很多重要的宇宙学现象。

为什么宇宙如此平坦?因为暴胀使得它变得如此之大,使得可观测的宇宙只能是平坦的,这就就好比一只小蚂蚁在一个巨大的气球上测量它的局部曲率,它可观测到的部分几乎都是平坦的。

尽管宇宙中各区域相距甚远,为什么宇宙微波背景辐射中有大片的区域具有大致相同的温度?因为早在宇宙暴胀分开它们之前,现在看上去相距很远的区域早已有了物质和能量的传递。

宇宙暴胀理论还对宇宙中大范围物质的聚集做出了预测,这些预测与后来的观察结果相吻合。

宇宙暴胀理论,从一开始仅仅是为了解决磁单极子问题而提出的“补丁”方案,逐渐成为了现代宇宙学的基石,然而我们对此依然不甚了解。

或许有一天,我们能完全理解宇宙暴胀的机制。

或许有一天,我们能找到一个磁单极子。

文中部分内容对原文有删改;图片为译者所加,均来源于网络。

原文链接:

https://www.space.com/40868-where-are-all-the-magnetic-monopoles.html

作者:Paul Sutter

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