koncept at forstå. Men takket være Einsteins generelle relativitetsteori er vi klar til udfordringen. bruger JohnsonMartin
Den største læring fra Einsteins generelle relativitetsteori er, at rummet i sig selv ikke er en flad, uforanderlig, absolut enhed. Det er snarere vævet sammen med tiden til et enkelt stof: rumtid. Dette stof er kontinuerligt og glat, og det bliver bøjet og deformeret af tilstedeværelsen af stof og energi. Alt, hvad der er til stede i denne rumtid, bevæger sig langs den vej, der er defineret af denne krumning, og dets udbredelse er begrænset af lysets hastighed. Men hvad nu hvis dette stof havde fejl i det? Dette er ikke science-fiction, men en ægte idé inden for teoretisk fysik, og denne uges Spørg Ethan-spørgsmål fra gaijin, en af vores Patreon-støtter:
Det emne, jeg gerne vil foreslå, er højenergirelikvier, såsom domænevægge, kosmiske strenge, monopoler osv… det ville være fantastisk at læse mere om, hvad disse defekter egentlig er, hvad deres oprindelse er, hvilke egenskaber de sandsynligvis har, eller, og dette er nok den mest spændende del for mig, hvordan vi forventer, at de vil se ud og interagere med det ‘almindelige’ univers.
Et defekt univers er, når det kommer til stykket, matematisk set meget let at få.
Solen skyldes ikke en usynlig gravitationel tiltrækning, men beskrives bedre ved, at Jorden falder frit gennem et krumt rum domineret af Solen. Selv i dette tilfælde er rummets krumning dog stadig ekstremt lille, og der er ingen defekter i det. LIGO/T. Pyle
Forsøg at forestille dig rummet så godt, som du kan. Hvordan ser det ud? Forestiller du dig det tomt, glat og for det meste ensartet? Forestiller du dig, at de eneste afvigelser herfra er små og skyldes tilstedeværelsen af masser og energikvanter? Det er en ret god tilgang, og det er den tilgang, som fysikere normalt anvender. På de største skalaer forventer vi, at det er som et tredimensionelt gitter, hvor de eneste afvigelser er små områder med rumlig krumning af lav størrelse, hvilket er det, der skaber den gravitationskraft, som vi kender så godt. Rummet ville i denne konfiguration være i den lavenergi-tilstand.
og deformationer som følge af masse. Men rummet er, så vidt vi ved, aldrig dobbelt tilbage eller foldet på sig selv.
Men hvad med exciterede tilstande? Hvad med andre tilstande? For at gøre det let, så lad os fjerne to af de rumlige dimensioner og blot betragte én: en linje. Linjen kan være lige, åben og uendelig, eller den kan være lukket, som en sløjfe. Begge dele er linjer i den lavenergi-tilstand. Hvordan ville en højere-energitilstand se ud? Forestil dig, at du tog din linje og gjorde den slap, som en snor. Forestil dig nu, at du binder en knude i snoren: bare en sløjfe, et kryds og tværs, en knude og et træk. En snor uden knude repræsenterer et endimensionalt rum i den lavenergitilstand; en snor med en enkelt knude i repræsenterer et endimensionalt rum i den første exciterede tilstand. Denne knude er en 0-dimensionel topologisk defekt.
defekt langs en 1-D linje. En knude med den modsatte chiralitet kan, hvis den løber ind i denne knude, ophæve dem begge og genoprette den lavenergi-tilstand. Public Domain /
Nu kan man gøre nogle interessante ting med denne knudeholdige linje. Du kan binde en anden knude i den på nøjagtig samme måde, og nu har du to topologiske defekter, som begge tilføjer hinanden. Men hvis du binder en knude i den modsatte retning, dvs. du har lavet den samme løkke, men du har krydset enderne den modsatte vej, inden du putter og trækker, laver du en knude, der er den topologiske modsætning til den oprindelige knude. Hvis man meget forsigtigt bragte både den oprindelige knude og denne nye, modsat knude sammen, ville man opdage, at de kunne ophæve hinanden og bringe en tilbage til den lavenergi-tilstand igen.
Jamen, disse to typer nuldimensionelle defekter – knuden og anti-knuden – har fysiske analogier i vores univers: magnetiske monopoler. En knude svarer til en isoleret nordmagnetisk pol; en antiknude svarer til en isoleret sydmagnetisk pol. Hvis den ene løber ind i den anden, kan de udslettes, ligesom materie og antimaterie, og rumtidens stof vender tilbage til sin lavenergitilstand. Fordi de blot er punktlignende partikler, ville monopoler opføre sig som normal materie, ikke meget anderledes end de elektriske monopoler (positive og negative elektriske ladninger), vi har i vores univers i dag.
magnetiske feltlinjer på samme måde som en isoleret elektrisk ladning ville udstråle elektriske feltlinjer. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Så lad os nu vende tilbage til vores tredimensionelle univers. Man kan forestille sig ikke bare punktlignende defekter, men også højere dimensionelle defekter:
- Kosmiske strenge: hvor en endimensionel linje af en art løber gennem hele det observerbare univers.
- Domænevægge: hvor et todimensionelt plan, med diskontinuerte egenskaber fra den ene side til den anden, løber gennem universet.
- Kosmiske teksturer: hvor et område af det tredimensionelle rum bliver knudret sammen.
Så vi har monopole (0-D), strenge (1-D), vægge (2-D) og teksturer (3-D) defekter, der er muligheder, og de opstår af forskellige mekanismer af samme klasse: når en symmetri brydes.
i henhold til standardkosmologien (L) og et med et betydeligt netværk af topologiske defekter (R) giver vidt forskellige storskala-strukturer. Vi har gode nok observationer til at udelukke, at kosmiske strenge og domænevægge er en dominerende komponent i det moderne univers. Andrey Kravtsov (kosmologisk simulering, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulering i et univers med kosmiske strenge, R)
Symmetribrud er et stort problem i fysikken. Enhver symmetri, der eksisterer, svarer til en bevaret størrelse, og hvis en symmetri brydes, er den pågældende størrelse altså ikke længere bevaret. Man kan frembringe monopoler ved at bryde en sfærisk symmetri; man kan frembringe strenge ved at bryde en aksial eller cylindrisk symmetri; ved at bryde en diskret symmetri (som paritet eller spejlbillede-refleksion) kan man skabe domænevægge. Andre defekter er lidt sværere at forstå, men kommer ofte i spil, når man beskæftiger sig med ekstradimensionale scenarier. Men især de tre første – monopoler, kosmiske strenge og domænevægge – er af særlig interesse for kosmologien.
standardmodellens kræfter, og måske endda tyngdekraften ved højere energier, er forenet sammen i en enkelt ramme. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Vi ved, at standardmodellen ikke kan være alt, hvad der findes, og der er mange udvidelser, som kunne have fascinerende observerbare konsekvenser. En af dem er ideen om Grand Unification, hvor den elektromagnetiske, svage og stærke atomkraft alle forenes ved en eller anden høj energi. Dette ville ikke blot resultere i nye partikler og nye vekselvirkninger, men når symmetrien, der holder den stærke kraft sammen med de to andre kræfter, brydes, burde der opstå magnetiske monopoler. Manglen på magnetiske monopoler i vores observerbare univers bliver ofte nævnt som bevis for kosmisk inflation og som yderligere bevis for, at universet aldrig bliver varmt nok efter inflationens afslutning til at genoprette symmetrien i de store forenede teorier.
brudt, ville der blive produceret et stort antal magnetiske monopoler. Men vores univers udviser dem ikke; hvis den kosmiske inflation fandt sted efter at denne symmetri blev brudt, ville der højst være én monopol tilbage i det observerbare univers. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Kosmiske strenge og domænevægge ville blive produceret i faseovergange, hvis de findes, kort efter inflationens afslutning. Der kan være ekstra højenergisymmetrier, der bliver genoprettet på tidlige tidspunkter, og når de bliver brudt, kan disse defekter blive skabt. Både kosmiske strenge og domænevægge – enten en enkelt eller et netværk af dem – ville efterlade en signatur i universets storskala-struktur, mens teksturer ville dukke op i CMB og monopoler ville dukke op i eksperimenter med direkte detektion. Nogle fysikere peger med tungen lige i munden på den ene magnetiske monopole, der blev opdaget på Valentinsdag i 1982, som bevis for kosmisk inflation: Der er kun én monopole i hele det observerbare univers, og vi så den!
under ledelse af Blas Cabrera, en med otte vindinger af tråd, opdagede en fluxændring på otte magnetoner: indikationer på en magnetisk monopol. Desværre var ingen til stede på detektionstidspunktet, og ingen har nogensinde reproduceret dette resultat eller fundet en anden monopol. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Mens monopoler ville optræde som stof, ville et univers med kosmiske strenge, domænevægge eller kosmologiske teksturer påvirke universets udvidelse på en væsentlig måde. Kosmiske strenge ville opføre sig som rumlig krumning, noget, der er begrænset til at være mindre end ca. 0,4 % af den samlede energitæthed, mens domænevægge ville skabe en form for mørk energi, der accelererer universet for langsomt til at kunne forklare det, vi observerer. En kosmologisk tekstur ville have de samme virkninger som en kosmologisk konstant, men hele vores observerbare univers ville skulle være indeholdt i en enkelt defekt for at forklare vores observationer!
Universets energitæthed, og hvornår de kan dominere. Hvis der fandtes kosmiske strenge eller domænevægge i nogen nævneværdig mængde, ville de bidrage væsentligt til universets udvidelse. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopoler, strenge, vægge, teksturer og alle andre defekter skulle være ultratunge, hvis de eksisterer. Monopoler bør være de mest massive partikler, der nogensinde er opdaget, hvis de er virkelige, ca. en faktor 100 billioner (1014) gange så massive som topkvarken. Strings, vægge og teksturer bør fungere som kimen til storskala-strukturer, der trækker stof ind i dem, før andre strukturer dannes, og skaber signaturer, der burde være meget tydelige i betragtning af kraften af nutidens teleskoper, undersøgelser og CMB-data. Moderne begrænsninger fortæller os, at disse strukturer ikke findes i nogen stor mængde og ikke kan udgøre mere end nogle få procent af det samlede kosmiske energibudget.
af fluktuationer i den, peger på skalainvarians, mens et netværk af kosmiske strenge ville have udvist en meget stejl stigning på den venstre side af grafen. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
I dag er der ingen beviser for, at vores univers er defekt, bortset fra den ene observation af en magnetisk monopol for ca. 35 år siden. Selv om vi ikke kan modbevise deres eksistens (vi kan kun begrænse den), må vi holde vores sind åbent for muligheden for, at disse topologiske defekter ikke er forbudte, og at mange udvidelser af fysikkens standardmodel nødvendiggør dem. I mange scenarier er det sådan, at hvis de ikke findes, er det fordi noget yderligere må undertrykke dem. Fravær af beviser er ikke bevis for fravær, men indtil vi ser noget andet, der peger på, at en topologisk defekt er reel i universet, må vi lade denne idé forblive i spekulationens verden.
Send dine Ask Ethan-spørgsmål til startswithabang at gmail dot com!
Følg mig på Twitter. Tjek mit websted eller nogle af mine andre værker her.