早期宇宙中的全息相變會釋放引力波嗎？
藝術家描繪的兩個黑洞合併並且引起我們所知的引力波漣漪（圖源：LIGO/T.Pyle）An artist's illustration of two black holes merging and creating ripples in space-time known as gravitational waves.(Image credit: LIGO/T. Pyle)
我相信你可以理解我們對極早期的宇宙知之甚少。
我們懷疑它經歷了幾個主要的變革時期——稱為相變——最終產生了我們所知道和熱愛的宇宙。最近，一組物理學家使用了弦理論中最強大的工具之一來處理這些相變，並透露我們即將可以通過引力波特徵直接探測那些宇宙活動。
新的階段
在自然中有四種已知的力，其中兩種你都很熟悉：引力和電磁力，它們聯合起來構成了我們日常生活的大部分。第三種，強核力，負責把原子核聚集在一起，但除此之外，它極短的作用距離使它無法做其他值得注意的事情。第四種，弱核力，它使核衰變和核反應成為可能，這很方便。但除此之外，它不管其他的事。
這四種力相互之間沒有什麼不同，但現代物理學最顯著的見解之一是，它們可能都是同一種力的表現形式。我不能把這種統一的力量稱作「力」，因為《星球大戰》宇宙已經使用了這個綽號，所以我們只能稱它為「統一的力」。
我們不知道這種統一的力是否真的存在（或曾經存在過），但我們已經能夠將自然的兩種力融合在一起。在我們的高能粒子對撞機實驗中，電磁力和弱核力融合在一起，成為統一的「弱電力」。
如果我們的粒子對撞機能夠實現這一壯舉，那麼宇宙肯定也可以實現。當我們的宇宙還不到一秒大時，它極其的小、熱和密。如此的小、熱和密，以至於足夠使弱電力失控。只有當宇宙膨脹並冷卻到超過這一點之後，這些力才能分成它們各自不同的身份。
艱難的旅程
在我們最簡單的模型中，這一轉變是相對平穩的——從弱電狀態簡單過渡到分離成電磁力和弱核力的宇宙。不過，雖然我們最簡單的物理模型非常成功，它也有缺點。我們無法用簡單的模型解釋宇宙中的各種物理現象（比如中微子的質量和暗物質的存在）。
更複雜（和更假設）的物理模型預測，結束弱電時代的相變非常劇烈。這個過程非但不平穩，還非常艱難崎嶇。新力量的泡沫在能量的猛烈釋放中形成、增長和融合，隨著弱電力與自身的分離，宇宙爆發出混亂的狂暴。
但是除了能說「是的，這太瘋狂了」之外，現代物理學的工具還不能更詳細地描述這種劇烈的相變。我們的數學沒有好到能追蹤所有複雜、強大的力量，因為它們改變了宇宙。
全息理論
好吧，這並不是弦理論本身。弦理論是我們試圖描述統一的力（並用單一理論解釋所有的物理），但它並沒有被破解——沒人能夠解出弦理論的數學問題以做出實際預測（這對科學很重要）。但在物理學家試圖解開弦理論之謎（雙關語）的數十年中，他們偶然發現了一種看似強大的技術。一些看似難解的問題，可以轉化為相對簡單易解的問題，再轉化回來得到答案。
問題是：你必須從更高的維度去思考。在我們試圖理解早期宇宙的煩亂嘈雜的情況下，相變物理學背後的困難的（或許是不可能的）數學可以轉化為一個涉及廣義相對論的更簡單的問題——在五維上。
這沒有任何意義。為什麼這一招有效？為什麼四維的弱電問題變成五維的引力問題？我們不知道。但我們知道的是，這個方法可能足夠瘋狂到可以奏效，一個理論物理學家團隊已經使用這種方法來模擬早期宇宙的物理，正如發表在預印本期刊《arXiv》上的一篇論文所報道的那樣。
有了這種新穎的「全息」 （和這種技術的名稱一樣，因為它涉及在不丟失信息的情況下從一組維度轉換到另一組維度）技巧，理論家們就能夠追蹤弱電相變期間泡沫的形成。他們發現，泡沫的形成和碰撞會導致引力波的巨量釋放。
那些時空的漣漪可以持續到今天。但是，即使它們剛形成時可以像撕紙一樣把你撕成碎片，現在它們幾乎無法推動一個原子。我們還不具備探測它們的靈敏度，但研究人員發現，擬議的太空基引力波探測器，如歐洲空間局的雷射干涉空間天線任務（LISA），將具備探測能力。
當LISA完全運行時（至少還需要幾十年），它有可能探測到這些微弱的引力波，這些引力波是四種自然力中的最後一種相互分裂時留下的。如果沒有全息理論，我們永遠無法做出這種預測，而宇宙歷史上最早和最劇烈的時代仍將是個謎。
BY:Paul Sutter
FY:語心
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