concept à comprendre. Mais, grâce à la relativité générale d’Einstein, nous sommes à la hauteur du défi. utilisateur JohnsonMartin
La plus grande leçon de la théorie générale de la relativité d’Einstein est que l’espace lui-même n’est pas une entité plate, immuable et absolue. Il est plutôt tissé, avec le temps, en un seul tissu : l’espace-temps. Ce tissu est continu, lisse, et est courbé et déformé par la présence de matière et d’énergie. Tout ce qui est présent dans cet espace-temps se déplace le long de la trajectoire définie par cette courbure, et sa propagation est limitée par la vitesse de la lumière. Mais que se passerait-il si ce tissu comportait des défauts ? Ce n’est pas de la science-fiction, mais une idée authentique de la physique théorique, et la question Ask Ethan de cette semaine posée par gaijin, l’un de nos supporters Patreon :
Le sujet que j’aimerais suggérer est celui des reliques à haute énergie, comme les murs de domaine, les cordes cosmiques, les monopoles, etc… ce serait génial d’en lire plus sur ce que ces défauts sont vraiment, quelle est leur origine, quelles propriétés ils ont probablement, ou, et c’est probablement la partie la plus excitante pour moi, comment nous nous attendons à ce qu’ils ressemblent et interagissent avec l’univers » ordinaire « .
Un Univers défectueux, quand on y réfléchit, est mathématiquement très facile à obtenir.
Le Soleil n’est pas dû à une attraction gravitationnelle invisible, mais est mieux décrit par la Terre tombant librement à travers l’espace courbe dominé par le Soleil. Cependant, même dans ce cas, la courbure de l’espace est encore extrêmement faible, et il n’y a pas de défauts dans celle-ci. LIGO/T. Pyle
Tentez d’imaginer l’espace du mieux que vous pouvez. A quoi ressemble-t-il ? L’imaginez-vous vide, lisse et essentiellement uniforme ? Imaginez-vous que les seuls écarts par rapport à cela sont faibles et dus à la présence de masses et de quanta d’énergie ? C’est une très bonne approche, et c’est celle que les physiciens adoptent normalement. Aux plus grandes échelles, nous nous attendons à ce que l’espace ressemble à une grille tridimensionnelle, où les seules déviations sont de petites régions de courbure spatiale de faible amplitude, ce qui crée la force gravitationnelle que nous connaissons si bien. L’espace, dans cette configuration, serait dans l’état de plus basse énergie.
et déformations dues à la masse. Mais l’espace ne se dédouble ni ne se replie jamais sur lui-même, pour autant qu’on le sache.
Mais qu’en est-il des états excités ? Qu’en est-il des autres états ? Pour faciliter les choses, enlevons deux de la dimension spatiale et n’en considérons qu’une seule : une ligne. La ligne peut être droite, ouverte et infinie, ou bien fermée, comme une boucle. Dans les deux cas, il s’agit de lignes dans l’état d’énergie le plus bas. À quoi ressemblerait un état d’énergie supérieure ? Imaginez que vous preniez votre ligne et que vous la rendiez souple, comme une corde. Imaginez maintenant que vous fassiez un nœud dans la corde : une simple boucle, un croisement, un pliage et une traction. Une corde sans nœud représente un espace unidimensionnel dans l’état de plus basse énergie ; une corde avec un seul nœud représente un espace unidimensionnel dans le premier état excité. Ce nœud est un défaut topologique de dimension 0.
défaut le long d’une ligne 1-D. Un nœud avec la chiralité opposée, s’il se heurte à ce nœud, pourrait les défaire tous les deux, rétablissant l’état de plus basse énergie. Public Domain /
Maintenant, vous pouvez faire des choses intéressantes avec cette ligne contenant un nœud. Vous pouvez y attacher un autre nœud exactement de la même manière, et maintenant vous aurez deux défauts topologiques qui s’ajoutent tous les deux. Mais si vous faites un nœud dans le sens opposé, c’est-à-dire que vous faites la même boucle, mais que vous croisez les extrémités dans le sens opposé avant de les replier et de les tirer, vous faites un nœud qui est l’opposé topologique du nœud original. Si vous rapprochiez très soigneusement le nœud d’origine et ce nouveau nœud opposé, vous constateriez qu’ils peuvent se défaire l’un l’autre, vous ramenant à nouveau à l’état de plus basse énergie.
Bien, ces deux types de défauts de dimension zéro – le nœud et l’anti-nœud – ont des analogies physiques dans notre Univers : les monopoles magnétiques. Un nœud correspond à un pôle magnétique nord isolé ; un anti-nœud correspond à un pôle magnétique sud isolé. Si l’un se heurte à l’autre, ils peuvent s’annihiler, tout comme la matière et l’antimatière, et ramener le tissu de l’espace-temps à son état de plus basse énergie. Parce qu’ils ne sont que des particules ponctuelles, les monopoles se comporteraient comme de la matière normale, pas très différente des monopoles électriques (charges électriques positives et négatives) que nous avons dans notre Univers aujourd’hui.
lignes de champ magnétique de la même manière qu’une charge électrique isolée émettrait des lignes de champ électrique. États BPS en fond oméga et intégrabilité – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Revenons, maintenant, à notre Univers tridimensionnel. Vous pouvez imaginer non seulement des défauts ponctuels, mais aussi des défauts dimensionnels plus élevés :
- Cordes cosmiques : où une sorte de ligne unidimensionnelle traverse tout l’Univers observable.
- Murs de domaines : où un plan bidimensionnel, avec des propriétés discontinues d’un côté à l’autre, traverse l’Univers.
- Textures cosmiques : où une région de l’espace tridimensionnel se noue.
Donc, nous avons des défauts de monopole (0-D), de corde (1-D), de paroi (2-D) et de texture (3-D) qui sont des possibilités, et ils proviennent de différents mécanismes de la même classe : chaque fois qu’une symétrie est brisée.
selon la cosmologie standard (L) et un avec un réseau significatif de défauts topologiques (R) donnent des structures à grande échelle très différentes. Nous disposons d’observations suffisamment bonnes pour exclure les cordes cosmiques et les murs de domaines comme étant une composante dominante de l’Univers moderne. Andrey Kravtsov (simulation cosmologique, L) ; B. Allen & E.P. Shellard (simulation dans un Univers de cordes cosmiques, R)
La brisure de symétrie est une affaire importante en physique. Chaque symétrie qui existe correspond à une quantité conservée, et donc si une symétrie est brisée, cette quantité n’est plus conservée. Vous pouvez produire des monopoles en brisant une symétrie sphérique ; vous pouvez produire des cordes en brisant une symétrie axiale ou cylindrique ; la rupture d’une symétrie discrète (comme la parité, ou la réflexion d’une image miroir) peut créer des murs de domaine. D’autres défauts sont un peu plus difficiles à appréhender, mais entrent souvent en jeu lorsque l’on traite de scénarios extradimensionnels. Mais ces trois premiers en particulier – monopoles, cordes cosmiques et murs de domaine – sont d’un intérêt particulier pour la cosmologie.
les forces du modèle standard, et peut-être même la gravité à des énergies plus élevées, sont unifiées ensemble dans un cadre unique. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Nous savons que le modèle standard ne peut pas être tout ce qui existe, et il existe de nombreuses extensions qui pourraient avoir des conséquences observables fascinantes. L’une d’entre elles est l’idée de la grande unification, où les forces électromagnétique, faible et nucléaire forte s’unifient toutes à une certaine énergie élevée. Cela entraînerait non seulement la présence de nouvelles particules et de nouvelles interactions, mais aussi la production de monopoles magnétiques lorsque la symétrie qui maintient la force forte et les deux autres se brise. L’absence de monopoles magnétiques dans notre Univers observable est souvent citée comme une preuve de l’inflation cosmique, et comme une preuve supplémentaire que l’Univers ne devient jamais assez chaud après la fin de l’inflation pour restaurer la symétrie des théories de grande unification.
Brisée, un grand nombre de monopôles magnétiques seraient produits. Mais notre Univers ne les présente pas ; si l’inflation cosmique avait lieu après la rupture de cette symétrie, au plus un monopôle serait encore présent au sein de l’Univers observable. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Les cordes cosmiques et les murs de domaine seraient produits dans les transitions de phase, si elles existent, peu après la fin de l’inflation. Il se peut qu’il y ait des symétries supplémentaires à haute énergie qui se restaurent à des moments précoces, et lorsqu’elles sont brisées, ces défauts peuvent être créés. Les cordes cosmiques et les murs de domaines – qu’il s’agisse d’une seule ou d’un réseau de domaines – laisseraient une signature dans la structure à grande échelle de l’Univers, tandis que les textures apparaîtraient dans le CMB et les monopôles dans les expériences de détection directe. Certains physiciens, avec humour, désignent l’unique monopôle magnétique découvert le jour de la Saint-Valentin en 1982 comme une preuve de l’inflation cosmique : il n’y a qu’un seul monopôle dans tout l’Univers observable, et nous l’avons vu !
La direction de Blas Cabrera, une avec huit tours de fil, a détecté un changement de flux de huit magnétons : indications d’un monopôle magnétique. Malheureusement, personne n’était présent au moment de la détection, et personne n’a jamais reproduit ce résultat ou trouvé un second monopôle. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Alors que les monopoles agiraient comme la matière, un Univers avec des cordes cosmiques, des murs de domaine, ou des textures cosmologiques affecterait l’expansion de l’Univers de façon majeure. Les cordes cosmiques se comporteraient comme une courbure spatiale, quelque chose de contraint à moins d’environ 0,4 % de la densité d’énergie totale, tandis que les murs de domaine créeraient une forme d’énergie sombre qui accélère l’Univers trop lentement pour expliquer ce que nous observons. Une texture cosmologique aurait les mêmes effets qu’une constante cosmologique, mais l’ensemble de notre Univers observable devrait être contenu dans un seul défaut pour expliquer nos observations !
Densité d’énergie de l’Univers, et quand ils pourraient dominer. Si les cordes cosmiques ou les murs de domaines existaient en quantité appréciable, ils contribueraient de manière significative à l’expansion de l’Univers. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Les monopôles, les cordes, les murs, les textures, et tout autre défaut devraient être ultra-lourds s’ils existent. Les monopoles devraient être les particules les plus massives jamais découvertes, si elles existent, environ un facteur de 100 trillions (1014) de fois plus massif que le quark supérieur. Les cordes, les murs et les textures devraient agir comme les graines d’une structure à grande échelle, attirant la matière avant que d’autres structures ne se forment, et créant des signatures qui devraient être très claires, étant donné la puissance des télescopes actuels, des études et des données du CMB. Les contraintes modernes nous disent que ces structures n’existent pas en grande abondance, et ne peuvent représenter plus de quelques pourcents du budget énergétique cosmique total.
de fluctuations en son sein, pointe vers une invariance d’échelle, alors qu’un réseau de cordes cosmiques aurait présenté une très forte hausse sur le côté le plus à gauche du graphique. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
Au jour d’aujourd’hui, il n’y a aucune preuve que notre Univers soit défectueux, sauf pour cette unique observation d’un monopôle magnétique il y a environ 35 ans. Bien que nous ne puissions pas réfuter leur existence (nous ne pouvons que la limiter), nous devons garder l’esprit ouvert à la possibilité que ces défauts topologiques ne soient pas interdits, et que de nombreuses extensions du modèle standard de la physique les rendent nécessaires. Dans de nombreux scénarios, s’ils n’existent pas, c’est que quelque chose d’autre doit les supprimer. L’absence de preuve n’est pas une preuve d’absence, mais jusqu’à ce que nous voyions autre chose qui indique qu’un défaut topologique est réel dans l’Univers, nous devons laisser cette idée dans le domaine de la spéculation.
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