pojem pochopit. Ale díky Einsteinově obecné teorii relativity jsme na tuto výzvu připraveni. uživatel JohnsonMartin
Největší poučení z Einsteinovy obecné teorie relativity je, že prostor sám o sobě není plochý, neměnný, absolutní útvar. Spíše je spolu s časem utkán do jediné látky: časoprostoru. Tato tkanina je spojitá, hladká a přítomností hmoty a energie se zakřivuje a deformuje. Vše přítomné v tomto časoprostoru se pohybuje po dráze vymezené tímto zakřivením a jeho šíření je omezeno rychlostí světla. Ale co když má tato tkanina vady? To není sci-fi, ale myšlenka v dobré víře v teoretické fyzice a otázka tohoto týdne Ask Ethan od gaijina, jednoho z našich příznivců Patreonu:
Téma, které bych chtěl navrhnout, jsou vysokoenergetické relikty, jako jsou doménové stěny, kosmické struny, monopóly atd… bylo by skvělé přečíst si více o tom, co tyto defekty skutečně jsou, jaký je jejich původ, jaké mají pravděpodobně vlastnosti, nebo, a to je pro mě asi nejzajímavější část, jak očekáváme, že budou vypadat a interagovat s „obyčejným“ vesmírem.
Defektivní vesmír, když na to přijde, je matematicky velmi snadné získat.
Slunce není způsobeno neviditelnou gravitační přitažlivostí, ale je lépe popsáno volným pádem Země zakřiveným prostorem, kterému dominuje Slunce. I v tomto případě je však zakřivení prostoru stále nesmírně malé a nejsou v něm žádné defekty. LIGO/T. Pyle
Zkuste si prostor představit co nejlépe. Jak vypadá? Představujete si ho prázdný, hladký a převážně rovnoměrný? Představujete si, že jediné odchylky od toho jsou malé a způsobené přítomností hmot a kvant energie? To je docela dobrý přístup, který fyzikové obvykle používají. V největších měřítkách očekáváme, že to bude jako trojrozměrná mřížka, kde jedinými odchylkami jsou malé oblasti prostorového zakřivení o malé velikosti, což je to, co vytváří gravitační sílu, kterou tak dobře známe. Prostor by se v této konfiguraci nacházel ve stavu s nejnižší energií.
a deformacemi způsobenými hmotou. Ale prostor se nikdy nezdvojuje ani neskládá sám na sebe, pokud víme.
A co excitované stavy? A co jiné stavy? Abychom si to usnadnili, odeberme dva prostorové rozměry a uvažujme jen jeden: čáru. Čára může být rovná, otevřená a nekonečná, nebo může být uzavřená, jako smyčka. V obou případech se jedná o čáry ve stavu s nejnižší energií. Jak by vypadal stav s vyšší energií? Představte si, že byste vzali čáru a udělali z ní disketu, něco jako provázek. Nyní si představte, že byste na provázku uvázali uzel: prostě smyčku, překřížit, zastrčit a zatáhnout. Provázek bez uzlu představuje jednorozměrný prostor v nízkoenergetickém stavu; provázek s jedním uzlem na něm představuje jednorozměrný prostor v prvním excitovaném stavu. Tento uzel je 0rozměrný topologický defekt.
defekt podél 1-D čáry. Uzel s opačnou chiralitou, pokud narazí na tento uzel, by je mohl oba zrušit a obnovit tak stav s nejnižší energií. Public Domain /
Nyní lze s touto čárou obsahující uzel dělat zajímavé věci. Můžete na ní úplně stejným způsobem uvázat další uzel a nyní budete mít dva topologické defekty, které se oba sčítají. Pokud však uvážete uzel v opačném směru, tj. udělali jste stejnou smyčku, ale před zastrčením a vytažením jste konce překřížili opačným směrem, vytvoříte uzel, který je topologickým opakem původního uzlu. Kdybyste velmi opatrně spojili původní uzel i tento nový, opačně svázaný uzel, zjistili byste, že se mohou navzájem zrušit, čímž byste se opět dostali do stavu s nejnižší energií.
No a tyto dva typy defektů nulové dimenze – uzel a antiuzel – mají fyzikální analogie v našem vesmíru: magnetické monopóly. Uzel odpovídá izolovanému severnímu magnetickému pólu; antiuzel odpovídá izolovanému jižnímu magnetickému pólu. Pokud jeden narazí na druhý, mohou anihilovat, stejně jako hmota a antihmota, a vrátit strukturu časoprostoru zpět do stavu s nejnižší energií. Protože jsou to jen bodové částice, chovaly by se monopóly jako normální hmota, nelišily by se příliš od elektrických monopólů (kladných a záporných elektrických nábojů), které máme dnes v našem vesmíru.
magnetické siločáry stejným způsobem, jako by izolovaný elektrický náboj vyzařoval elektrické siločáry. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Vraťme se tedy nyní k našemu trojrozměrnému vesmíru. Můžete si představit nejen bodové defekty, ale i defekty vyšších rozměrů:
- Kosmické struny: kde celým pozorovatelným vesmírem prochází nějaká jednorozměrná čára.
- Doménové stěny: kde vesmírem prochází dvourozměrná rovina s nespojitými vlastnostmi z jedné strany na druhou.
- Kosmické textury: kde se oblast trojrozměrného prostoru zauzluje.
Máme tedy monopólové (0-D), strunové (1-D), stěnové (2-D) a texturní (3-D) defekty, které jsou možné a vznikají různými mechanismy stejné třídy: kdykoli je porušena symetrie.
podle standardní kosmologie (L) a ten s významnou sítí topologických defektů (R) dávají značně odlišné velkoškálové struktury. Máme dostatečně dobrá pozorování, abychom vyloučili, že by kosmické struny a doménové stěny byly dominantní složkou moderního vesmíru. Andrey Kravtsov (kosmologická simulace, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulace ve vesmíru s kosmickými strunami, R)
Narušení symetrie je ve fyzice velká věc. Každé existující symetrii odpovídá zachovávaná veličina, a pokud je tedy symetrie porušena, tato veličina se již nezachovává. Porušením sférické symetrie můžete vytvořit monopóly; porušením axiální nebo cylindrické symetrie můžete vytvořit struny; porušením diskrétní symetrie (jako je parita nebo zrcadlový odraz) můžete vytvořit doménové stěny. Další defekty jsou trochu obtížnější na pochopení, ale často přicházejí v úvahu, když se zabýváte extra-dimenzionálními scénáři. Ale zejména ty první tři – monopóly, kosmické struny a doménové stěny – jsou pro kosmologii obzvláště zajímavé.
síly standardního modelu a možná i gravitace při vyšších energiích jsou sjednoceny dohromady v jednom rámci. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Víme, že standardní model nemůže být vším, co existuje, a existuje mnoho rozšíření, která by mohla mít fascinující pozorovatelné důsledky. Jedním z nich je myšlenka velkého sjednocení, kdy se elektromagnetické, slabé a silné jaderné síly sjednotí při určité vysoké energii. To by mělo za následek nejen přítomnost nových částic a nových interakcí, ale po narušení symetrie udržující silnou sílu pohromadě s ostatními dvěma by měly vzniknout magnetické monopóly. Nedostatek magnetických monopólů v našem pozorovatelném vesmíru se často uvádí jako důkaz kosmické inflace a jako další důkaz toho, že vesmír se po skončení inflace nikdy nezahřeje natolik, aby se obnovila symetrie velkých sjednocených teorií.
porušen, vzniklo by velké množství magnetických monopólů. Náš vesmír je však nevykazuje; pokud by kosmická inflace proběhla po porušení této symetrie, v rámci pozorovatelného vesmíru by byl stále přítomen nanejvýš jeden monopól. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Kosmické struny a doménové stěny by vznikly při fázových přechodech, pokud by existovaly, krátce po skončení inflace. Mohou existovat dodatečné vysokoenergetické symetrie, které se v raných dobách obnovují, a když jsou porušeny, mohou vznikat tyto defekty. Jak kosmické struny, tak doménové stěny – buď jedna, nebo jejich síť – by zanechaly podpis ve velkorozměrové struktuře vesmíru, zatímco textury by se projevily v CMB a monopóly by se objevily v experimentech s přímou detekcí. Někteří fyzikové s jazykem na jazyku poukazují na jeden magnetický monopól objevený na Valentýna v roce 1982 jako na důkaz kosmické inflace: v celém pozorovatelném vesmíru je jen jeden monopól a my jsme ho viděli!“
pod vedením Blase Cabrery, jeden s osmi závity drátu, detekoval změnu toku osmi magnetonů: indikace magnetického monopólu. Bohužel v době detekce nebyl nikdo přítomen a nikdo tento výsledek nikdy nereprodukoval ani nenašel druhý monopól. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles (První výsledky supravodivého detektoru pohybujících se magnetických monopólů), Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Když by se monopóly chovaly jako hmota, vesmír s kosmickými strunami, doménovými stěnami nebo kosmologickými strukturami by zásadním způsobem ovlivnily rozpínání vesmíru. Kosmické struny by se chovaly jako prostorové zakřivení, něco, co je omezeno na méně než asi 0,4 % celkové hustoty energie, zatímco doménové stěny by vytvářely formu temné energie, která urychluje vesmír příliš pomalu na to, aby vysvětlila to, co pozorujeme. Kosmologická struktura by měla stejné účinky jako kosmologická konstanta, ale celý náš pozorovatelný vesmír by musel být obsažen v jediné vadě, aby vysvětlil naše pozorování!“
Hustota energie vesmíru a kdy by mohly dominovat. Pokud by kosmické struny nebo doménové stěny existovaly v jakémkoli znatelném množství, významně by přispěly k rozpínání vesmíru. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopoly, struny, stěny, textury a jakékoli jiné defekty by měly být ultratěžké, pokud existují. Monopoly by měly být nejhmotnějšími částicemi, jaké kdy byly objeveny, pokud existují, přibližně 100 bilionkrát (1014) hmotnější než top kvark. Struny, stěny a textury by měly fungovat jako zárodky velkorozměrových struktur, vtahovat do sebe hmotu dříve, než se vytvoří jakékoli jiné struktury, a vytvářet signatury, které by měly být vzhledem k výkonu dnešních teleskopů, průzkumů a dat CMB velmi zřetelné. Moderní omezení nám říkají, že tyto struktury neexistují v žádném velkém množství a nemohou tvořit více než několik procent celkového kosmického energetického rozpočtu.
fluktuací v něm, ukazuje na škálovou invariantnost, zatímco síť kosmických strun by vykazovala velmi strmý nárůst na nejlevější straně grafu. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
K dnešnímu dni neexistují žádné důkazy o tom, že by náš vesmír byl defektní, s výjimkou onoho jednoho pozorování magnetického monopólu před asi 35 lety. I když jejich existenci nemůžeme vyvrátit (můžeme ji pouze omezit), musíme mít mysl otevřenou možnosti, že tyto topologické defekty nejsou zakázané a že mnohá rozšíření standardního modelu fyziky je vyžadují. Pokud v mnoha scénářích neexistují, je to proto, že je musí potlačovat něco navíc. Nepřítomnost důkazu není důkazem nepřítomnosti, ale dokud neuvidíme něco dalšího, co by ukazovalo na to, že topologický defekt je ve vesmíru reálný, musíme tuto myšlenku ponechat v oblasti spekulací.
Své dotazy na Ethana posílejte na adresu startswithabang at gmail dot com!
Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.