宇宙弦

宇宙弦這一物理概念是1981年維倫金等人提出來的。他們認為，宇宙大爆炸產生的威力應該形成無數細而長且能量高度集聚的管子，這種管子便叫做宇宙弦。大家知道，池水在冬季結冰時，起初，水面的液體。 ^[1] 

此種物質的形態可能為封閉的環，可作弦式振盪，所以取名宇宙弦。宇宙弦這一物理概念是1981年維倫金等人提出來的，他們認為，宇宙大爆炸所產生出的威力應該形成無數細而長且能量高度集聚的管子。這種管子便被叫做宇宙弦。理論工作者賦予宇宙弦的性質是異乎尋常的。它有點兒象蜘蛛絲，但遠比原子還細。你可以穿過它走路而絕不會發現它。但是，一釐米的宇宙弦比整座喜馬拉雅山的質量還要大，而且質量是可變的，完全取決於其張力：拉的越長，繃的越緊，質量越大。它的強度也極大。宇宙弦的活動與其臨近的天體、宇宙膨脹密切相關。

宇宙弦是一個假設性的一維拓撲（tuò pū）缺陷，在面料的時空。宇宙弦是假設成立時，不同地區的時空中進行第一階段的變化，取得了域邊界的兩個地區之間見面時的。理論家賦予宇宙弦的另一個奇特的性質就是：要麼伸展到無窮遠處，要麼形成閉合的無終點的環圈。

一直認為自然界有對稱，例如虧子與輕子也是三族，又或正反粒子，CPT守恆等等。但物理界並不如我們所想般對稱，如CP不守恆，而最大之不對稱（asymmetry）是費米子及玻色子之自旋性，費米子要自旋兩個圈才可見回原本景象，而玻色子只需自旋一個圈。

物理學家建立了N=8的“超對稱理論”（Supersymmetry/SUSY）統一費米子與玻色子，那是認為這個宇宙除了四維之外，還有八維，這個八維宇宙叫超空間（superspace），然而這額外的四維不可被理解為時間抑或空間，八維宇宙是由費米子居住，物質可透過自旋由四維空間轉入費米子居住至八維，又可由八維轉回四維，即玻色子可換成費米子，費米子可轉換成玻色子，它們沒有分別，我們之所以看到它們自旋不同只不過是我們侷限於四維而看不到八維的一個假象。

我打個比喻，如果你在地球上只會感同到三維（上下前後左右），我們雖然知道時間的存在，然而我們眼睛看不到，眼睛只幫我們分析三維繫統，然而有可能這個世界是八維，而因為眼睛只可分辨三維而你無法得知。

科學家對這一對粒子稱之為超對稱夥伴（supersymmetric partner），如重力微子（gravitino），光微子（photino），膠微子（gluino），而費米子的夥伴叫超粒子（sparticle），只不過是在費米子前面加一個s，如超電子（selectron）。可是我們知道費米子無論怎樣轉也轉不出玻色子，亦沒有發現費米子或玻色子轉出來的超對稱夥伴，例如電子就不是由任何已知玻色子轉出來，假如每一玻色子或費米子都有其超對稱夥伴，世界上的粒子數將會是到2012年的兩倍。

有認為超對稱夥伴質量比原本粒子高很多倍，只存在於高能量狀態，我們處於安靜宇宙是不能夠被看見，只有在極稀有的情形下，超對稱夥伴會衰變成普通的費米子及玻色子，當然我們尚未探測到超對稱夥伴，否則就轟動囉！

然而在超對稱理論背後，弦理論（strange theory）正慢慢崛起，它也是為了統一費米子玻色子。弦理論認為這個世界無論玻色子抑或費米子都是由一樣東西－弦（string）所組成，弦就像一條繩子，不過事實上它們真的太小向前地，故它們形成粒狀的粒子。

有一些星體產生的引力等巨大吸引或排斥，可能使空間扭曲，產生時空的波動，即可能出現宇宙弦。

起初物理學家認為閉弦理論必須是十維，因為只有十維的閉弦理論方可被重正則化（Renormalization），重正則化是物理學家為解決量子電動力學中出現'無限'所用的一個巧妙手法，其中多個無限項問題都與自我作用（self-interation）有關，我舉一個電子與電磁場的無限項例子：

電磁力的影響範圍遵從平方反比定律，即1除距離的平方，電子與自己的距離是0，故影響自己的範圍是1除0，等於無限，由於E=mc2，故電子質量豈非無限大！那和觀察結果不符，重正則化利用無限減無限得有限的方法計出電子質量（因為有限加無限也是無限）。

荷蘭物理學家Hendrik Kramers認為電子的質量是由兩個質量-bare mass及infinite mass組成，利用麥斯威爾方程（Maxwell Equation）計出另一個電子質量，又是無限，用第二個質量減第一個質量，剩下的就是bare mass，即電子正常質量。

當然那不是樣樣東西都可以重正則化，你要好巧妙地把式定成：（無限）-（無限+少少）=（少少），否則答案會是零，或答案尚是無限，最成功的例子是利用重正則化解釋蘭伯移動（Lamb Shift），蘭伯移動解釋在一條軌道上的兩個粒在不同狀態下的粒子（旋上旋下）能量有少許分別，所以旋上電子變成旋下電子會放出21.11cm微波輻射。

事實上現今物理學上一個理論是否可行完全要看它是否可以被重正則化。

在極遙遠的古代，人類就在試圖弄清“天地玄黃、宇宙洪荒”的奧秘。在當代，能相對成功地解釋宇宙演變過程的是大爆炸宇宙模型。

大爆炸理論是20世紀40年代由美國物理學家喬治·伽莫夫（1904～1968年）等人提出來的。它認為宇宙間所有的物質和能量原先曾經集中在一個時空點內，在100～200億年前的某一時刻，原始火球由於某種原因而爆炸，我們的宇宙就誕生了，並且一直膨脹到這個世紀的狀態。

但是，大爆炸宇宙模型並沒有解決全部問題，例如它解釋不了宇宙結構的局部不均勻性。這大爆炸模型要求整個宇宙的物質應當均勻分佈，然而宇宙中的物質卻不是這樣，而是呈“團塊”狀結構，甚至包括星系、星系團、超星系團。這樣就不得不另闢蹊徑來解決這一矛盾。這正是天文物理學家想出宇宙弦理論的原因。

大爆炸宇宙學理論認為，儘管宇宙中的大多數恆星都組成稱為“星系”的團塊，星系又組成更巨大的星系團；可是從宇觀的角度看來，整個太空還是各向同性的。然而，隨着天文觀測技術的迅速發展，新的發現使人們不得不重新考慮這個問題。

80年代，美國加利福尼亞卡內基學院觀察站的紅外線光學望遠鏡，發現星系以非常複雜的方式排列，“這些星系看上去像雕刻上去的，而不是爆炸濺射出來的”。更不尋常的發現是宇宙中的巨大空洞和巨大的星系鏈。1986年發現銀河及其近鄰正在向室女座運行，這表明存在一種強大的引力源，其質量相當於太陽質量的1019倍。1989年的觀測證實了這個“星系大陸”的存在，發現它對周圍的數百萬其他星系都有穩定的吸引力。美國哈佛-施密松天體物理中心的一個科學小組（cfA）的科學家們在做紅移巡天觀測中發現，宇宙中有泡沫樣的結構，即宇宙中有些天區幾乎空無一物，被稱之為“宇宙空洞”。1989年，這個cfA科學小組巡天觀測了幾千個星系，發現在距地球3億光年的地方有一個長約5億光年，高約2億光年，厚1500萬光年的超星系團“巨壁”。這是目前已知的宇宙種存在的最大的天體星系鏈，它們像“珍珠項鍊”，交叉在浩瀚的宇宙之中，宛如巍巍壯觀的長城，所以天文學家把它叫做“宇宙鏈”或“宇宙長城”。這就以發現説明了宇宙天體的表觀尺度並不是星系或星系團，而可能是更大的東西。它們的結構巨大而古老，對宇宙大爆炸模型提出了挑戰。為此，物理學家們開始考慮修改宇宙的有關理論，引入了“宇宙弦模型”。

物理學家能通過宇宙弦理論推斷當前的宇宙結構是怎樣演變的。這種理論使物理學家能用精確的物理過程解釋宇宙的大尺度結構，並提出可被驗證的精確預言。如果宇宙弦理論被證明是正確的，人類對宇宙大尺度結構的認識就能建立在一個穩固的基礎上。那麼宇宙弦到底是如何產生的呢？

根據“弱——電”統一理論或大統一理論，物理學家認為在大爆炸後第10^-35秒有了宇宙弦。距離大爆炸時刻越近，宇宙的温度就越高。讓我們逆着時間箭頭來看：宇宙在大爆炸後的第30分鐘，達到的温度足以從光子產生一對對的“電子——正電子”；第3分鐘，温度高到足以使原子核分裂成質子和中子；第1秒鐘，弱作用力開始起作用；在第0.01秒，温度高到足以將質子和中子分裂成夸克，夸克再通過強相互作用而結合。在此之前物質又是什麼樣子呢？

在大爆炸後最初階段的極高能量狀態下，引力、電磁力、弱力和強力之間沒有區別，只存在於一個統一場之中。然而，當時又會產生超高温相變，宇宙弦就是這種超高温相變的遺蹟，它是相變中線狀的缺陷。這些缺陷包含着大爆炸後的高能殘餘——極細極重的統一場。宇宙弦的存在是根據大統一理論推測出來的。

由上面的機制所形成的宇宙弦，可以説是一個極高密度的能量線，它非常細，直徑僅為10^-29釐米（相當於氫原子核半徑的10倍），它又是異常地重，密度為每立方厘米10噸。宇宙弦形成之後，會發生一系列的“重聯”（每條弦的兩端相互連接起來，或是與其它弦的兩端相聯）而演變成大小不同的環狀弦或橫貫宇宙的長弦。由於這種弦的密度極大，因此引力極強。一段具有兩個端點的有限（短）弦，會很快地收縮形成一個點而消失。因此，存在於宇宙中的弦只有兩種：一是橫貫宇宙無限長的直弦，另一種是各種大小的環形弦。

根據計算，大約有20%的宇宙弦是圓圈形的，其它的弦橫越整個宇宙。無限長的宇宙弦並不是直的，而是彎彎曲曲的。全部弦的集合構成了佈滿空間的網。雖然弦的質量很大，但是彎彎曲曲的弦卻是極度繃緊的，其張力更大，使它們以接近光速的速度振動，並時而互相碰撞。

在由環形弦和無限長弦構成的宇宙弦網中，只有環形弦才能吸引周圍的物質形成各種天體結構，而無限長的弦卻不吸引物質。整個宇宙弦網是按照“自我複製”的方式演化的。這就是説，宇宙在發展過程中，整個結構並不發生變化，只是在宇宙的膨脹中被放大。如果在兩個不同時候給宇宙弦照像，然後再把前一張照片按某種比率放大，兩張照片將是非常相象的。

宇宙真的是由這些極微細網狀結構形成的嗎，有什麼證據嗎？

直接觀察宇宙弦恐怕是極端困難的，因為環形弦在產生星系的過程中已經由於引力的輻射而衰變了，長形的弦是否較多地存在於宇宙中還不得而知，況且這種極微細的結構又不發出可見光和任何電磁輻射。這一切都使得對宇宙弦的觀測充滿了困難。產生宇宙弦的高難條件，也使得人們幾乎不可能在實驗室中將它模擬製造出來。但即便這樣，還是可以通過其它的方法來發現是否真的存在宇宙弦這種神奇的結構。

不論宇宙弦是否存在，用它對宇宙結構進行闡述卻很圓滿。包括物理學家、天文學家極為頭痛的新發現的各種複雜的天體結構，似乎都可以一下子解釋清楚。恐怕這也是物理學家對宇宙弦報以極高熱情的原因之一。

宇宙弦誕生於大爆炸時刻的高温相變。在宇宙大爆炸初期，由於壓力太大，物質還不能有所聚集。大爆炸後的第一萬年，宇宙還是由宇宙弦網以及均勻分佈的輻射和物質構成其格局，環形弦還不足以把物質吸引到它周圍。但是，在一萬年後，壓力急劇下降，物質也開始聚集，此時宇宙弦的能量比剛形成時少了，這是由於輻射引力波而失去一些能量，但是弦的密度比其它物質下降要慢得多。

宇宙弦圈吸集物質的質量與它本身的質量成正比，因此較小的弦圈吸集相對較少的物質；較大的弦圈不僅吸集更多的物質，而且將較小的弦圈也吸集到它周圍。這樣，較小的弦圈形成星系，較大的弦圈就形成星系團，甚至更大尺度的集團結構。

這樣以宇宙弦為基礎的宇宙模型，就能預言星系和星系團的數量和結構。宇宙弦是在大爆炸的高温相變的一瞬間形成的，宇宙弦網的佈局結構應該在宇宙天體的各種結構中得到反映。用它也就很容易地解釋了空洞、星系鏈和片狀結構等，而這些都是大爆炸宇宙模型難於解釋的問題。

宇宙弦是以引力輻射的形式失去大部分能量的，因而它產生的引力波應該能被觀察到。可是這種引力波的效應確實沒有被測到過（儘管天文學家相信這是由於觀察技術不足）。另外，宇宙弦應該能引起2.7K背景輻射的微小突變，這種突變也未被觀測到。

但是也有宇宙弦存在的證據。由於宇宙弦能使光線發生偏轉、因此在宇宙弦後面的類星體會呈現雙影像。如果光線偏轉是由點狀引力源引起的，那麼造成的“多像”會是奇數；如果是由宇宙弦引起的，那麼就會觀察到雙像。1987年，兩個美國天文學家已經觀察到了4個成雙像的類星體，這也許是人類第一次觀測到了宇宙弦。

澳大利亞天文學家聲稱得到了宇宙弦存在的明確證據。他們觀測到一種質量巨大的引力體，使銀河系及其鄰近的星系以每秒1000公里的速度向其集中。研究證明，這種巨大引力體的形狀不是球形的，而是長達240萬光年的長圓柱體。他們推斷説，這種引力體是一個巨大的宇宙弦環。

要最終解開宇宙弦這個謎，恐怕還需要很長時間。

宇宙弦是長的具有微小的重的物體，它們可能在宇宙的早期形成，它們就會因宇宙的膨脹而今一度伸展，而且一根單獨的宇宙弦在現時刻可以橫貫穿我們觀察到的宇宙的整個尺度。

宇宙弦不應與弦理論中的弦相混淆，雖然它們並非完全無關，但它們都是具有長度並只有微小截面的物體。

宇宙弦具有非常大的伸縮性，其張力大概有一億億億噸，如果一根宇宙弦系在地球上能使地球在1秒內加速到2899Km/h。

宇宙弦在整個宇宙中交織，比一粒原子更細，有巨大的密度（在巨大的壓力之下）。這意味着它們將會對經過的任何東西產生相當大的引力，使在宇宙弦上的東西能以超速行進。因此，有人提出，將兩根宇宙弦拉近到一起或將一根宇宙弦靠近黑洞，就可能將空間和時間壓縮到足夠的極限，從而產生封閉類時曲線，實現時間旅行。 ^[2-3] 

在未獲實驗證實之前，弦理論是屬於哲學的範疇，不能完全算是物理學。無法獲得實驗證明的原因之一是目前尚沒有人對弦理論有足夠的瞭解而做出正確的預測，另一個則是目前的高速粒子加速器還不夠強大。

科學家們使用目前的和正在籌備中的新一代的高速粒子加速器試圖尋找超弦理論裏主要的超對稱性學説所預測的超粒子。但是就算是超粒子真的找到了，這仍不能算是可以證實弦理論的強力證據，因為那也只是找到一個本來就存在於這個宇宙的粒子而已，不過這至少表示研究方向還不是錯誤的。

雖然歷史上，弦理論是物理學的分支之一，但仍有一些人主張，弦理論目前不可實驗的情況，意味着它應該（嚴格地説）被更多地歸為一個數學框架而非科學。一個有效的理論，必須通過實驗與觀察，並被經驗地證明。不少物理學家們主張要通過一些實驗途徑去證實弦理論。 一些科學家希望藉助歐洲核子研究組織（CERN，Conseil European Pour Recherches Nucleaires）的大型強子對撞機，以獲得相應的實驗數據——儘管許多人相信，任何關於量子引力的理論都需要更高數量級的能量來直接探查。此外，弦理論雖然被普遍認同（注：待證實），但它擁有非常多的等可能性的解決方案。因此，一些科學家主張弦理論或許不是可證偽的，並且沒有預言的力量。

由於任何弦理論所作出的那些與其他理論都不同的預測都未經實驗證實的，該理論的正確與否尚待驗證。為了看清微粒中弦的本性所需要的能量級，要比目前實驗可達到的高出許多。弦理論具有很多在數學上很有意思的特徵（features of mathematical interest）並自然地包含了標準模型的大多數特性，比如非阿貝爾羣與手性費米子（chiral fermions）。因為弦理論在可預知的未來可能難以被實驗證明，一些科學家問，弦理論甚至是否應該被叫做一個科學理論。它現在還不能在波普爾的哲學含義中被證偽。但這也暗示了弦理論更多地被看做建設模型的框架。在同樣的形式中，量子場論是一個框架。

弦理論的思想為物理學帶來了一個建議上超越標準模型的巨大影響。例如，雖然超對稱性是組成弦理論的重要一部分，但是那些與弦理論沒有明顯聯繫的超對稱模型，科學家們也有研究。因此，如果超對稱性在大型強子對撞機中被偵測到，它不會被看做弦理論的一個直接證明。然而，如果超對稱性未被偵測出，由於弦理論中存在只有以更加更加高的能量才能看出超對稱性的真空，所以它的缺乏不會證明弦理論是錯誤的。相反，如果日食期間觀測到太陽的引力未使光按預測的角度偏轉，那麼愛因斯坦的廣義相對論將被證明是錯誤的。（廣義相對論當然已被證明是正確的。）

在更數學的層次上，另一個問題是，如同很多量子場論，弦理論的很大一部分仍然是微擾地（perturbatively）用公式表達的（即為對連續的逼近，而非一個精確的解）。雖然非微擾技術有相當大的進步——包括猜測時空中滿足某些漸進性的完整定義——一個非微擾的、充分的理論定義仍然是缺乏的。

物理學中，弦理論有關應用的一箇中心問題是，弦理論最好的理解背景保存着大部分從“時不變的時空”得出的的超對稱性潛在理論：目前，弦理論無法處理好時間依賴與宇宙論背景的問題。

前面提到的兩點涉及一個更深奧的問題：在弦理論目前的構想中，由於弦理論對背景的依賴——它描述的是關於固定時空背景的微擾膨脹，它可能不是真正基礎的。一些人把獨立背景（background independence）看做對於一個量子引力理論的基礎要求；自從廣義相對論已經是背景獨立的以來，尤其如此。