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Konzept zu verstehen. Aber dank Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sind wir der Herausforderung gewachsen. user JohnsonMartin

Die wichtigste Lehre aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist, dass der Raum selbst keine flache, unveränderliche, absolute Einheit ist. Vielmehr ist er zusammen mit der Zeit zu einem einzigen Gewebe verwoben: der Raumzeit. Dieses Gewebe ist kontinuierlich, glatt und wird durch die Anwesenheit von Materie und Energie gekrümmt und verformt. Alles, was sich in dieser Raumzeit befindet, bewegt sich entlang der durch diese Krümmung definierten Bahn, und seine Ausbreitung ist durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Aber was wäre, wenn dieses Gewebe Defekte hätte? Das ist keine Science-Fiction, sondern eine echte Idee der theoretischen Physik und die Frage dieser Woche von gaijin, einem unserer Patreon-Unterstützer:

Das Thema, das ich vorschlagen möchte, sind hochenergetische Relikte, wie Domänenwände, kosmische Strings, Monopole, usw… es wäre großartig, mehr darüber zu lesen, was diese Defekte wirklich sind, was ihr Ursprung ist, welche Eigenschaften sie wahrscheinlich haben, oder, und das ist wahrscheinlich der spannendste Teil für mich, wie wir erwarten, dass sie aussehen und mit dem „normalen“ Universum interagieren.

Ein defektes Universum ist, wenn es darauf ankommt, mathematisch sehr einfach zu erhalten.

Die Gravitation der Erde um die Sonne beruht nicht auf einer unsichtbaren Anziehungskraft, sondern wird besser durch den freien Fall der Erde durch den gekrümmten, von der Sonne dominierten Raum beschrieben. Aber auch in diesem Fall ist die Krümmung des Raums immer noch extrem klein, und es gibt keine Defekte in ihr. LIGO/T. Pyle

Versuchen Sie, sich den Raum so gut wie möglich vorzustellen. Wie sieht er aus? Stellen Sie ihn sich leer, glatt und weitgehend gleichförmig vor? Stellst du dir vor, dass die einzigen Abweichungen davon klein sind und auf das Vorhandensein von Massen und Energiequanten zurückzuführen sind? Das ist ein ziemlich guter Ansatz, den die Physiker normalerweise verfolgen. In den größten Maßstäben erwarten wir, dass der Raum wie ein dreidimensionales Gitter aussieht, bei dem die einzigen Abweichungen kleine Regionen mit geringer räumlicher Krümmung sind, die die uns so gut bekannte Gravitationskraft erzeugen. Der Raum befände sich in dieser Konfiguration im Zustand niedrigster Energie.

und Verformungen aufgrund von Masse. Aber der Raum verdoppelt sich nicht und faltet sich nicht auf sich selbst, soweit wir wissen.

Aber was ist mit angeregten Zuständen? Was ist mit anderen Zuständen? Um es einfach zu machen, nehmen wir zwei der räumlichen Dimensionen weg und betrachten nur eine: eine Linie. Die Linie kann gerade, offen und unendlich sein, oder sie kann geschlossen sein, wie eine Schleife. In beiden Fällen handelt es sich um Linien im Zustand niedrigster Energie. Wie würde ein Zustand mit höherer Energie aussehen? Stell dir vor, du nimmst deine Linie und machst sie schlaff, wie eine Schnur. Nun stellen Sie sich vor, dass Sie einen Knoten in die Schnur machen: einfach eine Schlaufe, kreuz und quer, umlegen und ziehen. Eine Schnur ohne Knoten stellt einen eindimensionalen Raum im niedrigsten Energiezustand dar; eine Schnur mit einem einzigen Knoten darin stellt einen eindimensionalen Raum im ersten angeregten Zustand dar. Dieser Knoten ist ein 0-dimensionaler topologischer Defekt.

Defekt entlang einer 1-D-Linie. Ein Knoten mit der entgegengesetzten Chiralität könnte, wenn er auf diesen Knoten trifft, beide aufheben und den Zustand mit der niedrigsten Energie wiederherstellen. Public Domain /

Nun kann man mit dieser knotenhaltigen Linie einige interessante Dinge tun. Man kann einen weiteren Knoten auf die gleiche Weise einbinden, und dann hat man zwei topologische Defekte, die sich beide addieren. Knüpft man jedoch einen Knoten in der entgegengesetzten Richtung, d. h. man macht dieselbe Schlaufe, aber man kreuzt die Enden in der entgegengesetzten Richtung, bevor man sie festzieht, entsteht ein Knoten, der das topologische Gegenteil des ursprünglichen Knotens ist. Wenn man den ursprünglichen Knoten und diesen neuen, entgegengesetzt gebundenen Knoten sehr vorsichtig zusammenführt, stellt man fest, dass sie sich gegenseitig auflösen können, was einen wieder in den Zustand niedrigster Energie zurückbringt.

Nun, diese beiden Arten von nulldimensionalen Defekten – der Knoten und der Anti-Knoten – haben physikalische Entsprechungen in unserem Universum: magnetische Monopole. Ein Knoten entspricht einem isolierten magnetischen Nordpol; ein Antiknoten entspricht einem isolierten magnetischen Südpol. Wenn der eine auf den anderen trifft, können sie sich vernichten, genau wie Materie und Antimaterie, und das Gefüge der Raumzeit kehrt in seinen energieärmsten Zustand zurück. Da sie nur punktförmige Teilchen sind, würden sich Monopole wie normale Materie verhalten, nicht viel anders als die elektrischen Monopole (positive und negative elektrische Ladungen), die wir heute in unserem Universum haben.

magnetische Feldlinien, so wie eine isolierte elektrische Ladung elektrische Feldlinien aussenden würde. BPS-Zustände im Omega-Hintergrund und Integrabilität – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116

Kommen wir also zurück zu unserem dreidimensionalen Universum. Man kann sich nicht nur punktförmige Defekte, sondern auch höherdimensionale Defekte vorstellen:

1. Kosmische Strings: wo eine Art eindimensionale Linie durch das gesamte beobachtbare Universum verläuft.
2. Domain Walls: wo eine zweidimensionale Ebene mit diskontinuierlichen Eigenschaften von einer Seite zur anderen durch das Universum verläuft.
3. Cosmic Textures: wo ein Bereich des dreidimensionalen Raums verknotet wird.

Wir haben also Monopol- (0-D), String- (1-D), Wand- (2-D) und Textur- (3-D) Defekte, die möglich sind, und sie entstehen durch verschiedene Mechanismen derselben Klasse: immer dann, wenn eine Symmetrie gebrochen wird.

Zwischen einem Universum, das nach der Standardkosmologie (L) geschaffen wurde, und einem Universum mit einem bedeutenden Netzwerk topologischer Defekte (R) ergeben sich sehr unterschiedliche großräumige Strukturen. Wir haben genügend gute Beobachtungen, um kosmische Strings und Domänenwände als dominante Komponente des modernen Universums auszuschließen. Andrey Kravtsov (kosmologische Simulation, L); B. Allen & E.P. Shellard (Simulation in einem kosmischen String-Universum, R)

Symmetriebrechungen sind in der Physik eine große Sache. Jede Symmetrie, die es gibt, entspricht einer konservierten Menge, und wenn eine Symmetrie gebrochen wird, ist diese Menge nicht mehr konserviert. Man kann Monopole erzeugen, indem man eine sphärische Symmetrie bricht; man kann Strings erzeugen, indem man eine axiale oder zylindrische Symmetrie bricht; das Brechen einer diskreten Symmetrie (wie der Parität oder der spiegelbildlichen Reflexion) kann Domänenwände erzeugen. Andere Defekte sind etwas schwieriger zu verstehen, kommen aber oft ins Spiel, wenn man sich mit extra-dimensionalen Szenarien beschäftigt. Aber gerade die ersten drei – Monopole, kosmische Strings und Domänenwände – sind für die Kosmologie von besonderem Interesse.

die Kräfte des Standardmodells und vielleicht sogar die Gravitation bei höheren Energien in einem einzigen Rahmen vereint sind. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com

Wir wissen, dass das Standardmodell nicht alles sein kann, was es gibt, und es gibt viele Erweiterungen, die faszinierende beobachtbare Konsequenzen haben könnten. Eine davon ist die Idee der Großen Vereinigung, bei der sich die elektromagnetische, die schwache und die starke Kernkraft bei einer hohen Energie vereinigen. Dies würde nicht nur zu neuen Teilchen und neuen Wechselwirkungen führen, sondern wenn die Symmetrie, die die starke Kraft mit den beiden anderen zusammenhält, bricht, müssten magnetische Monopole entstehen. Das Fehlen magnetischer Monopole in unserem beobachtbaren Universum wird oft als Beweis für die kosmische Inflation angeführt, und als weiterer Beweis dafür, dass das Universum nach dem Ende der Inflation nie heiß genug wird, um die Symmetrie der Großen Vereinheitlichten Theorie wiederherzustellen.

Bei einem Bruch der Symmetrie würde eine große Anzahl magnetischer Monopole entstehen. Aber unser Universum weist sie nicht auf; würde die kosmische Inflation nach dem Bruch dieser Symmetrie stattfinden, wäre höchstens noch ein Monopol im beobachtbaren Universum vorhanden. E. Siegel / Jenseits der Galaxie

Kosmische Strings und Domänenwände würden in Phasenübergängen kurz nach dem Ende der Inflation entstehen, falls sie existieren. Möglicherweise gibt es zusätzliche Hochenergiesymmetrien, die zu frühen Zeiten wiederhergestellt werden, und wenn sie gebrochen werden, können diese Defekte entstehen. Sowohl kosmische Strings als auch Domänenwände – entweder eine einzelne oder ein Netzwerk von ihnen – würden eine Signatur in der großräumigen Struktur des Universums hinterlassen, während Texturen im CMB und Monopole in direkten Nachweis-Experimenten auftauchen würden. Einige Physiker verweisen augenzwinkernd auf den einen magnetischen Monopol, der am Valentinstag 1982 entdeckt wurde, als Beweis für die kosmische Inflation: Es gibt nur einen Monopol im gesamten beobachtbaren Universum, und wir haben ihn gesehen!

Unter der Leitung von Blas Cabrera wurde bei einem Experiment mit acht Drahtwindungen eine Flussänderung von acht Magnetonen festgestellt: ein Hinweis auf einen magnetischen Monopol. Leider war zum Zeitpunkt der Entdeckung niemand anwesend, und niemand hat jemals dieses Ergebnis reproduziert oder einen zweiten Monopol gefunden. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381

Während sich Monopole wie Materie verhalten würden, würde ein Universum mit kosmischen Strings, Domänenwänden oder kosmologischen Texturen die Expansion des Universums in erheblicher Weise beeinflussen. Kosmische Strings würden sich wie eine räumliche Krümmung verhalten, die weniger als 0,4 % der Gesamtenergiedichte ausmachen darf, während Domänenwände eine Form von dunkler Energie erzeugen würden, die das Universum zu langsam beschleunigt, um das zu erklären, was wir beobachten. Eine kosmologische Textur hätte die gleichen Auswirkungen wie eine kosmologische Konstante, aber unser gesamtes beobachtbares Universum müsste in einem einzigen Defekt enthalten sein, um unsere Beobachtungen zu erklären!

Die Energiedichte des Universums und wann sie dominieren könnten. Wenn kosmische Strings oder Domänenwände in nennenswertem Umfang existierten, würden sie erheblich zur Expansion des Universums beitragen. E. Siegel / Jenseits der Galaxie

Monopole, Strings, Wände, Texturen und alle anderen Defekte sollten ultraschwer sein, wenn sie existieren. Monopole sollten die massivsten Teilchen sein, die je entdeckt wurden, wenn sie real sind, etwa um den Faktor 100 Billionen (1014) mal so massiv wie das Top-Quark. Strings, Wände und Strukturen sollten als Keimzellen für großräumige Strukturen fungieren, die Materie in sich hineinziehen, bevor sich andere Strukturen bilden, und Signaturen erzeugen, die angesichts der Leistungsfähigkeit der heutigen Teleskope, Durchmusterungen und CMB-Daten sehr deutlich sein sollten. Moderne Einschränkungen sagen uns, dass diese Strukturen nicht in großer Menge existieren und nicht mehr als ein paar Prozent des gesamten kosmischen Energiebudgets ausmachen können.

Das Spektrum der Fluktuationen in ihm deutet auf Skaleninvarianz hin, während ein Netzwerk kosmischer Strings einen sehr steilen Anstieg auf der linken Seite des Graphen aufweisen würde. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096

Bis heute gibt es keine Beweise dafür, dass unser Universum defekt ist, abgesehen von der einen Beobachtung eines magnetischen Monopols vor etwa 35 Jahren. Auch wenn wir ihre Existenz nicht widerlegen können (wir können sie nur einschränken), müssen wir die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass diese topologischen Defekte nicht verboten sind und dass viele Erweiterungen des Standardmodells der Physik sie erfordern. Wenn es sie in vielen Szenarien nicht gibt, liegt das daran, dass etwas Zusätzliches sie unterdrücken muss. Die Abwesenheit von Beweisen ist kein Beweis für die Abwesenheit, aber bis wir etwas anderes sehen, das darauf hindeutet, dass ein topologischer Defekt im Universum real ist, müssen wir diese Idee im Bereich der Spekulation belassen.

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