16、宇宙超弦：从理论到观测的探索

宇宙超弦：从理论到观测的探索

1. 引言

超弦理论通常认为弦是微观尺度的，大约为普朗克长度。但我们不禁思考，早期宇宙中产生的微观超弦是否会在宇宙的膨胀过程中被拉伸成宏观尺度，进而在当今的天文观测中被视为宇宙弦呢？早在1985年，Witten就探讨过这个问题，当时他认为这种情况不太可能发生。然而，随着1995年第二次超弦革命的到来，我们对弦理论的理解发生了巨大变化，这使得我们需要重新审视这个结论。

在深入探讨超弦理论之前，我们先简要回顾一下宇宙弦物理学的一些关键方面。

2. 对称性破缺与拓扑缺陷

在早期宇宙的经典场论图景中，当宇宙通过对称性破缺相变冷却，且破缺的对称性具有非平凡的第一同伦群（π1(G) ≠ 0）时，就可能形成宇宙弦。不过，在暴胀时代的弦模型中，通过相变冷却的图景并不准确，因为弦通常是在再加热过程中产生的，这是一种相变，但并非传统意义上的冷却相变。

宇宙弦是一种拓扑缺陷，是对称相的残留物，由底层场论的拓扑结构支撑。在膨胀的宇宙中，由于对称性破缺的方式在大于因果视界的距离上是不相关的，所以场论中会形成缺陷。弦是三维空间中可能形成的多种缺陷之一，其他还包括畴壁、磁单极子和纹理。但畴壁和磁单极子是“不良”缺陷，因为如果它们形成，其能量密度会迅速主导宇宙，而这与我们的观测不符。弦则不同，作为余维数为2的物体，它们具有非平凡的动力学，可以有效地损失能量。

当新相的不相关区域相遇时，空间中会出现一些线，即弦本身，在这些线上，场的平滑变形无法在附近点的场方向之间进行插值，高能对称相以尼尔森 - 奥勒森涡旋的形式沿这些线保留。通过这种机制，我们预计在对称性破缺时，每个哈勃体积至少会形成一根弦。当破缺的对称性被规范时，产生