從磁單極子到宇宙暴脹：宇宙的終極理論究竟在哪裡？
作者：Paul Sutter
翻譯：可樂不加冰審校：陳星
對於磁鐵，我們早已司空見慣：每塊磁鐵都有南極（S極）和北極（N極）。如果你把一塊條形磁鐵劈成兩半，你並不會得到一個孤立的南極和一個孤立的北極，恰恰相反，這兩塊磁鐵都有各自的南北極。
在我們的宇宙中，磁單極子看起來好像是不存在，但是並沒有特別基礎的理論能夠證明孤立的南極或北極，也即「磁單極子」是不存在的。在19世紀，麥克斯韋將電磁理論進行了總結，將電、磁、光進行了統一，寫出了著名的麥克斯韋方程組。在這個方程組中，也沒有任何跡象表明有磁單極子的存在，因此麥克斯韋直接在方程組中給出了磁單極子並不存在的結論。
然而，從現代物理學的角度來看，麥克斯韋的理論只是一種經典理論，在過去的一百多年裡，量子力學等理論的發展使得我們對電磁世界的認識不斷在刷新和升級。這些升級使得我們的宇宙中允許存在一些之前我們想像不到的東西，這其中就包括一直被認為不存在的磁單極子。
為了尋找磁單極子，我們必須回到最最開始的時刻，也就是宇宙大爆炸的時候。在大爆炸開始的一瞬間，那個時候的宇宙遵循和我們現在完全不一樣的物理規律。由於當時的溫度、密度都非常非常的高，以至於現在的一些基本相互作用，甚至是全部的基本相互作用，都是完全統一的。
現在，我們知道自然界有四種基本相互作用，分別是萬有引力、電磁力、強力和弱力。儘管我們無法用理論將它們全部統一起來，但是至少目前，在適當的條件下，電磁相互作用和弱相互作用是可以統一成電弱相互作用的（電弱統一理論，簡稱GWS理論）。當能量更高的時候，比如在宇宙大爆炸的初期，我們可以把強相互作用也統一進來，形成大統一理論（簡稱GUT理論）。這樣，宇宙中就是剩下萬有引力和GUT力了。
當然，目前我們只是有一些跡象表明GUT理論可能會以什麼形式呈現，這個理論本身尚未發展完全。但是，關於GUT力是如何「分裂」（物理上稱作「相變」）成我們現在所看到的強力、弱力和電磁力的，科學家們有一些比較有趣的想法。
GUT的相變被認為是非常簡單粗暴和突然的，它發生在宇宙誕生的第一秒內，這種劇烈的變化會在時空中留下缺陷。這就好比一盆水突然迅速地結冰了，由於不同區域的水結冰的速率和時間並不相同，因此形成的冰立方晶體也不是完全均勻一致的，內部的晶體結構會有很多的缺陷。這些缺陷構成了我們現在所能看到的豐富多彩的宇宙。
而在眾多的缺陷中，一種零維的類點拓撲缺陷，其物理性質就如同磁單極子。由於GUT的相變是在全宇宙時空里進行的，而且這個相變的能量巨大，所以現在的宇宙時空中應該充滿了各種各樣的缺陷，其中就有磁單極子。如果GUT理論是正確的，磁單極子就應該像黑洞和中子星一樣，雖然奇怪，但是完全可以被我們觀測到。
然而我們至今沒有觀測到磁單極子的存在。當這個問題在上世紀60年代末首次被提出時，很多宇宙學家為此感到擔心，懷疑我們的GUT理論是否正確。得益於宇宙微波背景輻射的發現和無線電類星體分布等證據的發現，宇宙大爆炸理論很大程度上被越來越多的人所接受。粒子物理的標準模型也在微觀領域取得了前所未有的成功。儘管GUT這個層次的物理我們尚未能完全理解，但是現代物理學的發展似乎能告訴我們，我們至少還走在正確的軌道上。
所以，我們的磁單極子去哪兒了呢？
宇宙學家阿蘭·古斯提出了一個新的觀點，或許正是GUT相變本身使得磁單極子消失了。他認為，在GUT相變的過程中，通過「暴脹」觸發了一個極其快速的膨脹過程。
這樣的暴脹使得我們的宇宙遠比我們能觀察的要大得多，磁單極子在空間中的密度驟然下降，降低至以目前儀器無法探測到的數量級。即便是在我們能觀察的範圍之外，也只有更多的恆星、星系以及其它熟悉的宇宙實體。
簡單來說，阿蘭·古斯的理論就是把磁單極子藏在「宇宙的地毯」之下：GUT相變產生了磁單極子，接著宇宙發生暴脹，使得磁單極子之間彼此相距很遠，遠到任意一塊可觀測的宇宙平均只包含一個磁單極子。這樣，儘管在宇宙大爆炸初期產生了大量的磁單極子，但是現在，我們幾乎不可能察覺。
當然，宇宙暴脹理論是對一個假設問題的假設解決方案。也許我們的GUT理論本身就是錯誤的，磁單極子不可能在宇宙大爆炸初期產生；宇宙暴脹的機制我們也並不完全了解。但是，宇宙暴脹已經成為現代宇宙學理論中不可或缺的重要組成部分。無論GUT相變是否會產生磁單極子，宇宙暴脹已經能解釋很多重要的宇宙學現象。
為什麼宇宙如此平坦？因為暴脹使得它變得如此之大，使得可觀測的宇宙只能是平坦的，這就就好比一隻小螞蟻在一個巨大的氣球上測量它的局部曲率，它可觀測到的部分幾乎都是平坦的。
儘管宇宙中各區域相距甚遠，為什麼宇宙微波背景輻射中有大片的區域具有大致相同的溫度？因為早在宇宙暴脹分開它們之前，現在看上去相距很遠的區域早已有了物質和能量的傳遞。
宇宙暴脹理論還對宇宙中大範圍物質的聚集做出了預測，這些預測與後來的觀察結果相吻合。
宇宙暴脹理論，從一開始僅僅是為了解決磁單極子問題而提出的「補丁」方案，逐漸成為了現代宇宙學的基石，然而我們對此依然不甚了解。
或許有一天，我們能完全理解宇宙暴脹的機制。
或許有一天，我們能找到一個磁單極子。
文中部分內容對原文有刪改；圖片為譯者所加，均來源於網路。
原文鏈接：
https://www.space.com/40868-where-are-all-the-magnetic-monopoles.html
推薦閱讀：