käsite ymmärtää. Mutta Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ansiosta pystymme vastaamaan haasteeseen. käyttäjä JohnsonMartin
Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian suurin opetus on se, että avaruus itsessään ei ole litteä, muuttumaton, absoluuttinen kokonaisuus. Pikemminkin se on kudottu yhdessä ajan kanssa yhdeksi kankaaksi: avaruusajaksi. Tämä kangas on jatkuva ja sileä, ja se kaareutuu ja muuttuu aineen ja energian vaikutuksesta. Kaikki tässä avaruusajassa oleva liikkuu kaarevuuden määrittelemää polkua pitkin, ja sen etenemistä rajoittaa valon nopeus. Mutta entä jos tässä kankaassa olisi vikoja? Tämä ei ole tieteiskirjallisuutta, vaan teoreettisen fysiikan hyväuskoinen ajatus, ja tämän viikon Ask Ethan -kysymyksen esitti gaijin, yksi Patreon-tukijoistamme:
Aihe, jota haluaisin ehdottaa, on korkeaenergiset jäänteet, kuten domain wallit, kosmiset jouset, monopolit, jne… olisi hienoa lukea lisää siitä, mitä nämä viat oikeasti ovat, mikä on niiden alkuperä, mitä ominaisuuksia niillä todennäköisesti on, tai, ja tämä on luultavasti jännittävin osa minulle, miten odotamme niiden näyttävän ja olevan vuorovaikutuksessa ”tavallisen” universumin kanssa.
Virheellinen maailmankaikkeus on loppujen lopuksi matemaattisesti hyvin helppo saada.
Auringon käyttäytyminen ei johdu näkymättömästä gravitaatiovoimasta, vaan sitä kuvaa paremmin Maan putoaminen vapaasti Auringon hallitseman kaarevan avaruuden läpi. Tässäkin tapauksessa avaruuden kaarevuus on kuitenkin edelleen äärimmäisen pieni, eikä siinä ole vikoja. LIGO/T. Pyle
Yritä kuvitella avaruus niin hyvin kuin pystyt. Miltä se näyttää? Kuvitteletko sen tyhjäksi, sileäksi ja enimmäkseen tasaiseksi? Kuvitteletko, että ainoat poikkeamat siitä ovat pieniä ja johtuvat massojen ja energiakvanttien läsnäolosta? Tuo on melko hyvä lähestymistapa, jota fyysikot yleensä käyttävät. Suurimmissa mittakaavoissa odotamme sen olevan kuin kolmiulotteinen ruudukko, jossa ainoat poikkeamat ovat pieniä alueita, joilla on pienen magnitudin alueellinen kaarevuus, mikä luo meille niin hyvin tutun gravitaatiovoiman. Avaruus olisi tässä kokoonpanossa matalimman energian tilassa.
ja massasta johtuvia muodonmuutoksia. Mutta avaruus ei tietojemme mukaan koskaan kaksinkertaistu tai taivu itseensä.
Mutta entä innostuneet tilat? Entä muut tilat? Helpottaaksemme asiaa, otetaan kaksi avaruusulottuvuutta pois ja tarkastellaan vain yhtä: viivaa. Viiva voi olla suora, avoin ja ääretön, tai se voi olla suljettu, kuten silmukka. Molemmat näistä ovat matalaenergisimmassa tilassa olevia viivoja. Miltä näyttäisi korkeamman energian tila? Kuvittele, että ottaisit viivan ja tekisit siitä löysän, kuten jousesta. Kuvittele nyt, että sitoisit naruun solmun: vain silmukan, ristikkäisliikkeen, solmun ja vedon. Solmuton merkkijono edustaa yksiulotteista tilaa matalimman energian tilassa; merkkijono, jossa on yksi solmu, edustaa yksiulotteista tilaa ensimmäisessä kiihottuneessa tilassa. Tuo solmu on 0-ulotteinen topologinen vika.
1-D viivan varrella oleva vika. Solmu, jolla on vastakkainen kiraalisuus, voisi kumota molemmat, jos se törmää tähän solmuun, ja palauttaa matalimman energian tilan. Public Domain /
Nyt voit tehdä mielenkiintoisia asioita tuolla solmun sisältävällä viivalla. Voit sitoa siihen toisen solmun täsmälleen samalla tavalla, ja nyt sinulla on kaksi topologista vikaa, jotka molemmat lisäävät. Mutta jos solmit solmun vastakkaiseen suuntaan, eli teet saman silmukan, mutta risteytät päät vastakkaiseen suuntaan ennen sulkemista ja vetämistä, teet solmun, joka on topologinen vastakohta alkuperäiselle solmulle. Jos hyvin varovasti veisit sekä alkuperäisen solmun että tämän uuden, vastakkaisesti sidotun solmun yhteen, huomaisit, että ne voisivat purkaa toisensa, jolloin palaisit taas matalimman energian tilaan.
No, näillä kahdentyyppisillä nollaulotteisilla vioilla – solmulla ja antisolmulla – on fysikaalisia vastineita maailmankaikkeudessamme: magneettiset monopolit. Solmu vastaa eristettyä pohjoista magneettinapaa; anti-solmu vastaa eristettyä eteläistä magneettinapaa. Jos toinen törmää toiseen, ne voivat annihiloitua, aivan kuten aine ja antiaine, ja palauttaa avaruusaikakudoksen takaisin matalimman energian tilaansa. Koska ne ovat vain pistemäisiä hiukkasia, monopolit käyttäytyisivät kuin tavallinen aine, eivätkä juurikaan eroa sähköisistä monopoleista (positiiviset ja negatiiviset sähkövaraukset), joita meillä on nykyään maailmankaikkeudessamme.
magneettikenttäviivat samalla tavalla kuin eristetty sähkövaraus emittoi sähkökenttäviivoja. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Palaamme nyt takaisin kolmiulotteiseen maailmankaikkeuteemme. Voit kuvitella pistemäisten vikojen lisäksi myös korkeampiulotteisia vikoja:
- Kosmiset jouset: jossa jonkinlainen yksiulotteinen viiva kulkee koko havaittavan maailmankaikkeuden halki.
- Alueen seinät: jossa kaksiulotteinen taso, jolla on epäjatkuvia ominaisuuksia laidasta laitaan, kulkee koko maailmankaikkeuden halki.
- Kosmiset tekstuurit: jossa kolmiulotteisen maailmankaikkeuden alue solmiutuu.
Meillä on siis monopoli- (0-D), säie- (1-D), seinä- (2-D) ja tekstuuri- (3-D) vikoja, jotka ovat mahdollisuuksia, ja ne syntyvät saman luokan erilaisista mekanismeista: aina kun symmetria rikkoutuu.
vakiokosmologian (L) mukainen ja sellainen, jossa on merkittävä topologisten vikojen verkosto (R), antavat valtavan erilaiset suuren mittakaavan rakenteet. Meillä on tarpeeksi hyviä havaintoja sulkea pois se, että kosmiset säikeet ja domainwallit olisivat nykymaailman maailmankaikkeuden hallitseva komponentti. Andrey Kravtsov (kosmologinen simulaatio, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulaatio kosmisessa merkkijono-universumissa, R)
Symmetrian rikkoutuminen on iso asia fysiikassa. Jokaista olemassa olevaa symmetriaa vastaa jokin säilyvä suure, joten jos symmetria rikotaan, kyseinen suure ei enää säily. Voit tuottaa monopoleja rikkomalla pallosymmetrian; voit tuottaa säikeitä rikkomalla aksiaalisen tai sylinterimäisen symmetrian; rikkomalla diskreetin symmetrian (kuten pariteetin tai peilikuvaheijastuksen) voit luoda alueellisia seiniä. Muita vikoja on hieman vaikeampi hahmottaa, mutta ne tulevat usein kyseeseen, kun ollaan tekemisissä yliulotteisten skenaarioiden kanssa. Mutta erityisesti nuo kolme ensimmäistä – monopolit, kosmiset jouset ja domain wallit – ovat erityisen kiinnostavia kosmologian kannalta.
Standardimallin voimat ja ehkä jopa painovoima korkeammilla energioilla ovat yhdistyneet yhteen ainoaan viitekehykseen. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Me tiedämme, että Standardimalli ei voi olla kaikki, mitä on olemassa, ja on monia laajennuksia, joilla voisi olla kiehtovia havaittavia seurauksia. Yksi niistä on ajatus Grand Unificationista, jossa sähkömagneettinen, heikko ja vahva ydinvoima yhdistyvät kaikki jossakin suuressa energiassa. Tämä ei johtaisi ainoastaan uusien hiukkasten ja uusien vuorovaikutusten syntymiseen, vaan kun symmetria, joka pitää vahvan voiman yhdessä kahden muun voiman kanssa, murtuu, pitäisi syntyä magneettisia monopoleja. Magneettisten monopolien puuttumiseen havaittavassa maailmankaikkeudessamme viitataan usein todisteena kosmisesta inflaatiosta ja lisätodisteena siitä, että maailmankaikkeus ei koskaan kuumene tarpeeksi inflaation päätyttyä palauttaakseen Suuren yhtenäisteorian symmetrian.
rikkoutuisi, syntyisi suuri määrä magneettisia monopoleja. Mutta meidän maailmankaikkeudessamme niitä ei esiinny; jos kosminen inflaatio tapahtuisi sen jälkeen, kun tämä symmetria olisi rikkoutunut, havaittavassa maailmankaikkeudessa olisi edelleen korkeintaan yksi monopoli. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Kosmiset säikeet ja domain wallit syntyisivät faasisiirtymissä, jos niitä on olemassa, pian inflaation päättymisen jälkeen. Saattaa olla ylimääräisiä korkean energian symmetrioita, jotka palautuvat varhaisina aikoina, ja kun ne rikkoutuvat, näitä vikoja voi syntyä. Sekä kosmiset jouset että domain wallit – joko yksittäinen jousi tai niiden verkosto – jättäisivät jälkensä maailmankaikkeuden laajamittaiseen rakenteeseen, kun taas tekstuurit näkyisivät CMB:ssä ja monopolit näkyisivät suorissa havaintokokeissa. Jotkut fyysikot viittaavat kieli poskessa siihen yhteen magneettiseen monopoliin, joka löydettiin ystävänpäivänä vuonna 1982, todisteena kosmisesta inflaatiosta: koko havaittavassa maailmankaikkeudessa on vain yksi monopoli, ja me näimme sen!
Blas Cabreran johdolla tehty koe, jossa oli kahdeksan kierrosta lankaa, havaitsi kahdeksan magnetonin vuonmuutoksen: merkkejä magneettisesta monopolista. Valitettavasti kukaan ei ollut paikalla havaitsemishetkellä, eikä kukaan ole koskaan toistanut tätä tulosta tai löytänyt toista monopolia. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Mikäli monopolit käyttäytyisivät kuten aine, universumi, jossa on kosmisia säikeitä, toimialueiden seinämiä tai kosmologisia tekstuureja, vaikuttaisi merkittävästi universumin laajenemiseen. Kosmiset säikeet käyttäytyisivät kuin avaruudellinen kaarevuus, joka on rajoitetusti alle 0,4 % kokonaisenergiatiheydestä, kun taas alueelliset seinämät loisivat pimeän energian muodon, joka kiihdyttäisi maailmankaikkeutta liian hitaasti selittääksemme sen, mitä me havaitsemme. Kosmologisella tekstuurilla olisi samat vaikutukset kuin kosmologisella vakiolla, mutta koko havaittavissa oleva maailmankaikkeutemme täytyisi sisältyä yhteen ainoaan vikaan, jotta se selittäisi havaintomme!
Maailmankaikkeuden energiatiheys, ja milloin ne saattaisivat dominoida. Jos kosmisia säikeitä tai alueellisia seinämiä olisi olemassa merkittävässä määrin, ne vaikuttaisivat merkittävästi maailmankaikkeuden laajenemiseen. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopolien, säikeiden, seinämien, tekstuurien ja kaikkien muiden vikojen pitäisi olla ultraraskaita, jos niitä on olemassa. Monopolien pitäisi olla massiivisimpia koskaan löydettyjä hiukkasia, jos ne ovat todellisia, noin 100 triljoonaa (1014) kertaa niin massiivisia kuin huippukvarkki. Säikeiden, seinämien ja tekstuurien pitäisi toimia suuren mittakaavan rakenteen siemeninä, jotka vetävät materiaa sisäänsä ennen muiden rakenteiden muodostumista ja luovat merkkejä, joiden pitäisi olla hyvin selviä, kun otetaan huomioon nykyisten teleskooppien, tutkimusten ja CMB-tietojen teho. Nykyaikaiset rajoitteet kertovat meille, että näitä rakenteita ei ole olemassa suuressa määrin, eikä niitä voi olla kuin muutama prosentti koko kosmisesta energiabudjetista.
sen sisällä olevien vaihteluiden spektri viittaa skaala-invariantsuuteen, kun taas kosmisten säikeiden verkosto olisi osoittanut hyvin jyrkkää nousua kuvaajan vasemmalla puolella. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
Tänään ei ole todisteita siitä, että maailmankaikkeutemme olisi viallinen, lukuun ottamatta sitä yhtä havaintoa magneettisesta monopolista noin 35 vuotta sitten. Vaikka emme voi kumota niiden olemassaoloa (voimme vain rajoittaa sitä), meidän on pidettävä mielemme avoimena sille mahdollisuudelle, että nämä topologiset viat eivät ole kiellettyjä ja että monet fysiikan Standardimallin laajennukset edellyttävät niitä. Monissa skenaarioissa, jos niitä ei ole olemassa, se johtuu siitä, että jonkin ylimääräisen tekijän on estettävä niiden olemassaolo. Todisteiden puuttuminen ei ole todiste poissaolosta, mutta ennen kuin näemme jotain muuta, joka viittaa siihen, että topologinen vika on todellinen maailmankaikkeudessa, meidän on jätettävä tämä ajatus spekulaatioiden piiriin.
Lähetä Ask Ethan -kysymyksesi osoitteeseen startswithabang at gmail dot com!
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.