科学家：“时空折叠”唤醒了宇宙中的磁场

关于宇宙磁场最初成因的一个离奇传说。

宇宙中遍布着磁场。但是科学家对磁场的产生原因却还没有完全了解。像地球、行星或恒星这样“较小”天体的磁场，是电流在它们内部运动的产物；星云、超新星遗迹、原行星盘的弱磁场是带电粒子在空间中复杂流动的产物；但更大的天体结构如星系、星系团也有磁场，它们的磁场又是如何产生的呢？

星系、星系团的磁场非常微弱，强度只有地球磁场的百万分之一；然而它们极其庞大，大得令人生畏。一些星系团的磁场可以绵延数千万光年。

磁场的本质是带电粒子相对于观察者运动所表现出来的一种性质。但是在宇宙的早期阶段，在首批恒星和星系出现之前，宇宙中的物质都是不带电的。不带电的中性气体不可能自己产生磁场；理论上没有磁场恒星也无法形成。所以一定是宇宙以某种方式触发了最初的磁场。一旦宇宙有了最初的磁场，中性气体变成等离子体后，磁场就可以被放大。但宇宙最初的磁场又是怎么出现的呢？

关于这个问题最离奇的一种说法是：它是宇宙时空“折叠”，亦即是“宇宙弦”的产物。

“宇宙弦”是一种目前仅存在于理论上的神秘“物体”。理论上，在很久以前，在宇宙形成不足一秒的时候，宇宙经历过数次剧烈的“相变”。通过这一系列的“相变”，原本统一在一起的四大基本作用力：引力、强互作用力、弱互作用力和电磁力发生了分化。

而每当一种基本作用力被分化，时空就会在最基本的层面上进行“重组”。这种“重组”不是完美的，它会在时空中留下“瑕疵”。在这些“瑕疵”中，有一些只有一个维度，就像是纸上的“折痕”。它们就是“宇宙弦”。

“宇宙弦”假说最早在上世纪70年代就已提出，但至今仍没有获得观测证据。不过“宇宙弦”依然是早期宇宙理论中的一个“一般性”预言。

理论上“宇宙弦”会有一些非常离奇的特性。由于它们“折叠”了时空，宇宙飞船如果绕行“宇宙弦”飞行一圈，当它回到起点后，会发现这一圈不足360度。“宇宙弦”还会以光速震动，偶尔还会形成闭环，并在产生大量辐射后消亡。

“宇宙弦”会四处游荡，会在身后的时空中留下“涟漪”——引力波的“涟漪”。而每当“宇宙弦”穿越等离子体，时空中的“涟漪”就会改变等离子体在小尺度上的温度和密度，这样的差异会导致电荷开始运动，磁场就这样出现了。最初的磁场不会太强，强度不会超过地球磁场的一亿分之一，但作为“种子”，已经足够了。

“宇宙弦”离开后，等离子体会被压缩，并孕育出恒星、星系和星系团。最初的磁场也会被逐渐放大，一步步演化成今天这个样子。

非常完美的推论，只有一个缺陷：我们不知道“宇宙弦”是否真的存在。不过科学家认为，我们可以通过探测“宇宙弦”唤醒磁场时留下的蛛丝马迹，也就是它在时空中产生的“涟漪”——引力波，来感知它们。

参考
Evolution of magnetic fields in cosmic string wakes
https://arxiv.org/abs/2204.13303