【请注意-前方高能烧脑模式】爱因斯坦的广义相对论最大的特点就是是空间本身不是一个平坦的，不变的绝对实体。相反它可以编织在一起，随着时间的推移，成为一种单一的织物：时空。这种织物是连续的，平滑的，并且由于物质和能量的存在而变得弯曲和变形。存在于该时空内的一切都沿着由该曲率限定的路径移动，并且其传播受到光速的限制。但是如果这种织物有缺陷呢？这不是科幻小说，而是理论物理学中的一个真正的想法。
宇宙的结构，时空，是一个很难理解的概念，但是多亏了也感谢爱因斯坦的广义相对论，我们才能够面对挑战。图片：Pixabay user JohnsonMartin
想提出的主题是高能的“遗迹“，如畴壁，宇宙弦，单极子，等等。如果能更多地了解这些缺陷到底是什么，它们的起源是什么，它们可能有什么性质，这可能是我最激动人心的部分，我们期望它们看起来像是和“普通”宇宙相互作用，那就太好了。
一个有缺陷的宇宙，当归结到它的时候，在数学上很容易得到。
地球围绕太阳的引力行为不是由无形的看不见的引力，而相对论得到更好的解释：是由地球通过太阳支配的弯曲空间自由下落。然而即使在这种情况下，空间的曲率仍然非常小，并且没有缺陷。图片：LIGO/T. Pyle
尽可能地尝试和想象空间，它是什么样子的？你以为它是空的、平滑的、大多是均匀统一的？你有没有想到，唯一的差是由于存在的质量和量子的能量？这是一个很好的方法，也是物理学家通常采取的方法。在最大的尺度上，我们期望它像一个三维网格，其中唯一的偏差是低空间曲率的小区域，这是我们所知道的重力所产生的。在这种机制中空间将处于最低能量状态。
时空的结构，插图说明了由于质量引起的涟漪和变形。但据我们所知时空不会会折回或折叠起来。
但是激发态呢？其它的呢？为了简化它让，我们拿走两个空间维度，只考虑一维：一线。直线可以是直的、开的、无限的，也可以是闭合的，就像一个圈。这两个都是能量最低的线。更高的能量状态会是什么样子？想象一下，你把你的线，使它松软，像一个字符串。现在想象一下，你在绳子上打结了，只是一个圈，交叉，褶，和拉。无结弦表示最低能量状态的一维空间；一个有一个结的弦表示第一激发态的一维空间。这是一个零维的拓扑缺陷的结。
结绑在一系列类似于沿一维线零维缺陷。一个相反的手性结，如果它碰到这个结，可以解开它们，恢复最低的能量状态。图片：Public Domain / Pixabay
现在你可以使用含结线做一些有趣的事情。你可以用同样的方法在另一个结上打结，现在你会有两个拓扑缺陷结。但在相反的方向如果你打个结，即你犯了同样的循环，你把纵横交错的结拉相反的方向，你再打一个结，原来的拓扑相反的结。如果你非常小心地把原来的结和这个新的，相反的打结结在一起，你会发现它们会互相抵消，使你再次回到最低的能量状态。（这个“打结”问题小编理了几下，应该没有逻辑错误吧？有的话欢迎在评论区留言指正）
那么这两种类型的零维缺陷结和反结，在我们的宇宙中有物理类比：磁单极子。结对应于孤立的北磁极;一个反结对应一个孤立的南磁极。如果你遇到另外一个人，就会像物质和反物质一样湮灭，并将时空的结构恢复到最低能量状态。因为它们只是点状粒子，单极子的行为就像正常的物质，与我们今天宇宙中的电动单极子（正电荷和负电荷）没有太大的不同。
磁单极子的概念图，发射磁场线的方式与隔离电荷发射电场线的方法相同。图片：BPS States in Omega Background and Integrability?—?Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
现在让我们现在回到我们的三维宇宙。你可以想象不只是点状缺陷，还有更高维度的缺陷：
1、宇宙弦：某种一维线贯穿整个可观察的宇宙。
2、畴壁：一个二维平面，具有不连续的性质从一边到另一边（穿过宇宙）
3、宇宙纹理：三维空间某一区域被“打结”之处
所以我们有可能性的单极（0-D），串（1-D），壁（2-D）和纹理（3-D）缺陷，它们来自同一类的不同机制，即每当一个对称被打破。
根据标准宇宙学（L）和一个具有显著拓扑缺陷（R）的网络所产生的宇宙之间的差异赋予了巨大不同的大型结构。作为现代宇宙的主要组成部分我们有足够的观察力来排除宇宙弦和磁畴壁。图片：Andrey Kravtsov（宇宙模拟，L）; B. Allen＆EP Shellard（在宇宙弦中模拟宇宙，R）
对称性破坏在物理学上是一大难题。存在的每一个对称都对应一个守恒量，如果对称破了，这个量就不再守恒。你可以打破一个球对称产生磁单极子；你可以通过破坏球形对称来生产单极子 ；你可以通过破坏轴向或圆柱形对称来产生弦；你还可以打破离散的对称性（如奇偶校验或镜像反射）可以创建畴壁；这些尤其是前三：单极子，宇宙弦，畴壁是宇宙学家特别感兴趣的。
统一观点认为：所有三种标准模型力，甚至更高能量的引力，都是统一在一个框架内的。图片版权： ABCC Australia 2015
我们知道标准模型不可能全部存在，并且有许多扩展可能会引起迷人的可观察的结果。一个是大统一的想法，电磁，弱和强的核力量在一些高能量下统一起来。这不仅会导致新的粒子和新的相互作用力的存在，而且当保持强力与其他两个破碎的对称性时，应该产生磁性单极子。我们可观测的宇宙中缺乏磁性单极子通常被认为是宇宙暴涨的证据，进一步的证据表明，宇宙在暴涨结束后从未变得足够热，以恢复大统一理论的对称性。
如果恢复大统一的对称性被打破,，大量的磁单极子会产生。但是我们的宇宙并没有表现出来，如果宇宙膨胀在对称性被打破之后发生，至多一个单极仍然存在于可观测宇宙中（想想这样浩瀚的宇宙中最多一个磁单极存在你如何能找到它？）。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
宇宙弦和畴壁将在相变过程中产生，如果它们存在，则在暴涨结束后不久。可能会有额外的高能量对称性在早期恢复，当它们被破坏时可以创建这些缺陷。宇宙弦和畴壁，无论是单一的还是其中的一个网络，将在宇宙的大型结构中留下印记，而纹理将显示在CMB中，单极子将显示在直接检测实验中。有些物理学家开玩笑地指出，在1982年情人节发现的磁单极子是宇宙膨胀的证据：在整个可观测的宇宙中只有一个单极，我们看到了！
在982年在Blas Cabrera的领导下进行的一项试验，其中有八圈线，检测到八个磁铁的磁通变化：磁单极子的预示。不幸的是在检测时没有出现，没也有人再现过这样的结果或发现了第二个单极子。图片：Cabrera B.（1982年）用于移动磁性单极子的超导检测器的第一个结果 Physical Review Letters，48（20）1378-1381
虽然单极子会像物质一样，宇宙弦，畴壁或宇宙纹理的宇宙将以主要方式影响宇宙的扩张。宇宙弦将表现得像空间曲率，一些限制为小于约0.4%的总能量密度；而畴壁会产生的暗能量加速宇宙膨胀以至于我们观察到的；宇宙的纹理也会有同样的效果即一个宇宙常数，但是整个可观测的宇宙必须包含在一个单一的缺陷以解释我们的观察！
宇宙能量密度的各种组成部分，以及它们可能主宰什么时候。如果宇宙弦或磁畴壁存在于任何可观测的数量上，它们将大大促进宇宙的膨胀。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
单极子，弦，墙，纹理和任何其他缺陷应该是超重的，如果它们存在。单极子应该是发现最大的“颗粒”，如果是真实的，大约是顶夸克的100万亿（10^14）倍。畴壁和纹理应作为大型结构的基础，在任何其他结构形成之前将物质拉入其中，并且在今天望远镜观测和CMB数据中创建应该非常清晰的标签。但现代限制诉我们这些结构不存在任何大量的并且不超过宇宙总能量预算的百分之几。
这是我们宇宙的微波背景及其波动范围指向尺度不变性，而宇宙弦网在图的最左边会显示出一个非常陡峭的上升。图片：Takeo Moroi＆Tomo Takahashi
到今天为止没有证据表明我们的宇宙是有缺陷的，除了那一个观察一些35年前的一个磁单极子。虽然我们不能否定它们的存在（我们只能限制它）。但我们必须对这些拓扑缺陷不被禁止的可能性保持清醒的头脑，而且许多对物理标准模型的扩展都需要它们。在许多情况下，如果它们不存在，那是因为一些额外的东西必须限制它们。没有证据不等于没有证据，但在我们看到其他东西指出宇宙中存在一个拓扑缺陷时，我们必须把这个想法留在推测的阶段。
原作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
编译：光量子
审校：博科园
