在太初——或者更精确地说,在大爆炸后万亿分之一的万亿分之一秒——宇宙是一个沸腾的、热得无法想象的能量球。我们所知的各种力——引力、电磁力以及控制原子的强力和弱力——仍然是一个整体。但在一瞬间,这片能量之海发生了变化。就像水会突然结冰一样,宇宙跨越了一个温度阈值,普适力也随之分裂。
尽管听起来不太可能,但一群芬兰物理学家声称已经在实验室里重现了这些原始条件。他们认为,在一个接近绝对零度的液氦瓶中,他们模拟出了新生宇宙的重要特征,而他们的实验,他们说,证实了一个有争议的理论的预测。
根据这一理论,随着宇宙的冷却,时空织物中出现了缺陷,就像水凝固成冰时会出现晶体缺陷一样。这些被称为宇宙弦的宇宙皱纹——其厚度可能比原子还要薄,长度可能无限长,质量极大,横跨整个宇宙。尽管这些物体看起来很奇特,但它们可以解决宇宙学中的许多棘手问题。由于宇宙弦巨大的质量,其强大的引力场将有助于将第一个星系拉到一起,并为宇宙的大尺度结构提供了框架。
液氦与这一切有什么关系呢?当冷却到几乎不可能达到的最低温度——绝对零度,也就是零下459.67华氏度——时,氦会突然变成一种无摩擦的流体,这是物理学家称之为超流性的奇特状态。它的许多原子会同步流动。在这种不寻常的状态下,氦在许多方面都类似于真空——例如,粒子可以无阻力地在超流体中移动,有时还会自发形成微小的涟漪,这对应于在真空中时而出现又时而消失的虚粒子。
然而,最重要的是,液氦转变为超流体状态与物理学家认为宇宙冷却形成宇宙弦时发生的转变,有着几乎相同的数学原理。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家沃伊切赫·祖雷克(Wojciech Zurek)大约在十年前提出,物理学家可以利用描述宇宙弦形成方程来预测当超流氦被加热然后再次冷却时会发生什么。结果发现,加热后的超流体会产生特定数量的涡旋,在数学上对应于宇宙弦的形成。如果出现预测数量的涡旋,那么解释宇宙弦形成和超流氦奇特行为的数学原理就会被证明是可靠的。这反过来又会提高宇宙弦理论的可信度。
赫尔辛基理工大学的物理学家格里戈里·沃洛维克(Grigori Volovik)和马蒂·克鲁修斯(Matti Krusius)是第一个成功检验祖雷克理论的人。他们首先将一个旋转的氦气缸冷却到比绝对零度高约千分之一度的温度,这是一个刚好低于从普通液态转变为超流体的温度。然后,他们向超流体中发射一个中子,加热一个不到一千分之一英寸的区域,其能量足以使其在一百万分之一秒内转变为普通液体。当该区域冷却回超流体状态时,形成了微小的涡旋。旋转的气缸增强了涡旋,使其保持足够长的时间,以便被磁探测器发现。物理学家每发射一个中子就发现了多达20个涡旋——这个数字与祖雷克的预测一致。
赫尔辛基研究人员的超流氦已被证明是早期宇宙的一个绝佳模型,以至于他们正计划研究其他深远的宇宙学问题,从引力的起源到反物质的稀缺性。沃洛维克说,物理学中有很多基本问题都与物理真空的性质有关。我们可以用我们的氦来模拟其中的许多问题。














