fogalom, amit meg kell értenünk. De Einstein általános relativitáselméletének köszönhetően fel vagyunk készülve a kihívásra. user JohnsonMartin
Az Einstein általános relativitáselméletének legnagyobb tanulsága, hogy maga a tér nem egy lapos, változatlan, abszolút entitás. Inkább az idővel együtt egyetlen szövetbe szövődik: a téridőbe. Ez a szövet folytonos, sima, és az anyag és az energia jelenléte miatt görbül és deformálódik. Minden, ami ebben a téridőben jelen van, a görbület által meghatározott pályán mozog, és terjedését a fénysebesség korlátozza. De mi lenne, ha ez az anyag hibás lenne? Ez nem sci-fi, hanem egy jóhiszemű elképzelés az elméleti fizikában, és az e heti Ask Ethan kérdését gaijin, az egyik Patreon-támogatónk tette fel:
A téma, amit javasolnék, a nagyenergiájú relikviák, mint például a tartományfalak, kozmikus húrok, monopólusok, stb… jó lenne többet olvasni arról, hogy ezek a hibák valójában mik, mi az eredetük, milyen tulajdonságokkal rendelkeznek valószínűleg, vagy – és ez talán a legizgalmasabb rész számomra -, hogy várhatóan hogyan fognak kinézni és kölcsönhatásba lépni a “közönséges” univerzummal.
A hibás Univerzum, ha már itt tartunk, matematikailag nagyon könnyen megkapható.
A Nap viselkedése nem egy láthatatlan gravitációs vonzásnak köszönhető, hanem jobban leírható azzal, hogy a Föld szabadon esik a Nap által uralt görbült térben. A tér görbülete azonban még ebben az esetben is rendkívül kicsi, és nincsenek benne hibák. A LIGO/T. Pyle
Próbáld meg elképzelni a teret, amennyire csak tudod. Hogy néz ki? Üresnek, simának és többnyire egyenletesnek képzeled? Elképzeled, hogy ettől csak kis eltérések vannak, amelyek tömegek és energiakvantumok jelenlétéből adódnak? Ez egy elég jó megközelítés, és ez az, amit a fizikusok általában alkalmaznak. A legnagyobb léptékeken azt várjuk, hogy olyan legyen, mint egy háromdimenziós rács, ahol az egyetlen eltérés a kis nagyságrendű térgörbület kis területei, ami létrehozza az általunk jól ismert gravitációs erőt. A tér ebben a konfigurációban a legalacsonyabb energiájú állapotban lenne.
és a tömeg miatti deformációk. De a tér tudomásunk szerint sohasem duplázódik vissza vagy hajlik önmagára.
De mi a helyzet a gerjesztett állapotokkal? Mi a helyzet más állapotokkal? A könnyebbség kedvéért vegyünk el két térbeli dimenziót, és tekintsünk csak egyet: egy vonalat. A vonal lehet egyenes, nyitott és végtelen, de lehet zárt is, mint egy hurok. Mindkettő a legalacsonyabb energiájú állapotban lévő vonal. Hogyan nézne ki egy magasabb energiájú állapot? Képzeljük el, hogy fogjuk a vonalat, és hajlékonyra vesszük, mint egy madzagot. Most képzeljük el, hogy csomót kötünk a zsinórra: csak egy hurkot, keresztbe teszünk, behúzzuk és meghúzzuk. A csomó nélküli zsinór a legalacsonyabb energiájú állapotban egydimenziós teret képvisel; az egyetlen csomóval ellátott zsinór az első gerjesztett állapotban egydimenziós teret képvisel. Ez a csomó egy 0-dimenziós topológiai hiba.
hiba egy 1-D vonal mentén. Egy ellentétes kiralitású csomó, ha beleszalad ebbe a csomóba, mindkettőt feloldhatja, visszaállítva a legalacsonyabb energiájú állapotot. Public Domain /
Most, ezzel a csomót tartalmazó vonallal érdekes dolgokat lehet csinálni. Pontosan ugyanúgy köthetsz bele egy másik csomót, és most már lesz két topológiai hibád, amelyek mindketten összeadódnak. De ha az ellenkező irányba kötünk egy csomót, azaz ugyanazt a hurkot csináltuk, de a végeket az ellenkező irányba keresztezzük, mielőtt betűrjük és meghúzzuk, akkor egy olyan csomót készítünk, ami az eredeti csomó topológiai ellentéte. Ha nagyon óvatosan összehoznád mind az eredeti csomót, mind ezt az új, ellentétesen kötött csomót, azt találnád, hogy képesek feloldani egymást, és így ismét a legalacsonyabb energiájú állapotba jutnál vissza.”
Nos, a nulla dimenziós hibák e két típusának – a csomónak és az anti csomónak – van fizikai analógiája a mi Univerzumunkban: a mágneses monopólusok. A csomó megfelel egy izolált északi mágneses pólusnak; az anti csomó megfelel egy izolált déli mágneses pólusnak. Ha az egyik a másikba ütközik, megsemmisülhetnek, akárcsak az anyag és az antianyag, és a téridő szövetét visszavezetik a legalacsonyabb energiájú állapotba. Mivel csak pontszerű részecskék, a monopólusok úgy viselkednének, mint a normál anyag, nem sokban különbözve az elektromos monopólusoktól (pozitív és negatív elektromos töltések), amelyekkel ma az Univerzumunkban rendelkezünk.
mágneses mezővonalakat bocsát ki ugyanúgy, ahogy egy izolált elektromos töltés elektromos mezővonalakat bocsát ki. BPS-állapotok az Omega-háttérben és az integrálhatóság – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Visszatérjünk most vissza a háromdimenziós Univerzumunkhoz. Nemcsak pontszerű hibákat képzelhetünk el, hanem magasabb dimenziós hibákat is:
- Kozmikus Húrok: ahol valamilyen egydimenziós vonal fut végig az egész megfigyelhető Univerzumon.
- Tartományfalak: ahol egy kétdimenziós sík, egyik oldalról a másikra diszkontinuus tulajdonságokkal, fut végig az Univerzumon.
- Kozmikus Textúrák: ahol a háromdimenziós tér egy régiója csomósodik.
Szóval vannak monopólus (0-D), húr (1-D), fal (2-D) és textúra (3-D) hibák, amelyek lehetőségek, és ugyanannak az osztálynak különböző mechanizmusaiból keletkeznek: amikor egy szimmetria megszakad.
a standard kozmológia (L) szerinti és a topológiai hibák jelentős hálózatával (R) létrehozott Univerzum nagymértékben eltérő nagyléptékű struktúrákat ad. Elég jó megfigyeléseink vannak ahhoz, hogy kizárjuk, hogy a kozmikus húrok és tartományfalak a modern Univerzum domináns összetevői lennének. Andrey Kravtsov (kozmológiai szimuláció, L); B. Allen & E.P. Shellard (szimuláció egy kozmikus húr univerzumban, R)
A szimmetriatörés nagy dolog a fizikában. Minden létező szimmetriának megfelel egy konzervált mennyiség, és így ha egy szimmetriát megtörnek, akkor az a mennyiség már nem konzerválódik. Egy gömbszimmetria megtörésével monopólusokat hozhatsz létre; egy axiális vagy hengeres szimmetria megtörésével húrokat hozhatsz létre; egy diszkrét szimmetria (mint a paritás vagy a tükörképi tükrözés) megtörésével tartományfalakat hozhatsz létre. Más hibákat kicsit nehezebb megérteni, de gyakran akkor jönnek szóba, amikor extra-dimenziós forgatókönyvekkel foglalkozunk. De különösen az első három – a monopólusok, a kozmikus húrok és a tartományfalak – különösen érdekesek a kozmológia szempontjából.
a Standard Modell erő, és talán még a gravitáció is magasabb energiáknál, egyetlen keretben egyesül. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Tudjuk, hogy a Standard Modell nem lehet minden, ami létezik, és számos olyan kiterjesztés létezik, amelyeknek lenyűgöző megfigyelhető következményei lehetnek. Az egyik a Nagy Egyesülés gondolata, ahol az elektromágneses, a gyenge és az erős magerő egyesül valamilyen nagy energiánál. Ez nemcsak új részecskék és új kölcsönhatások jelenlétét eredményezné, hanem amikor az erős erőt a másik kettővel együtt tartó szimmetria megszakad, mágneses monopólusokat kellene létrehozni. A mágneses monopólusok hiányára a megfigyelhető Univerzumunkban gyakran hivatkoznak a kozmikus infláció bizonyítékaként, és további bizonyítékként arra, hogy az Univerzum az infláció befejezése után sosem melegszik fel eléggé ahhoz, hogy a Nagy Egyesített Elméletek szimmetriája helyreálljon.
megtörve, nagyszámú mágneses monopólus keletkezne. De a mi Univerzumunkban nincsenek ilyenek; ha a kozmikus infláció e szimmetria felbomlása után következett volna be, akkor még mindig legfeljebb egy monopólus lenne jelen a megfigyelhető Univerzumban. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Kozmikus húrok és tartományfalak keletkeznének fázisátmenetekben, ha léteznek, röviddel az infláció vége után. Lehetnek extra nagyenergiájú szimmetriák, amelyek a korai időkben helyreállnak, és amikor ezek megszakadnak, ezek a hibák létrejöhetnek. Mind a kozmikus húrok, mind a tartományfalak – akár egyetlen egy, akár egy hálózatuk – nyomot hagynának az Univerzum nagyléptékű szerkezetében, míg a textúrák a CMB-ben, a monopólusok pedig a közvetlen észlelési kísérletekben tűnnének fel. Egyes fizikusok, nyelvükön szólva, az 1982-ben, Valentin-napon felfedezett egyetlen mágneses monopólusra mutatnak rá a kozmikus infláció bizonyítékaként: az egész megfigyelhető Univerzumban csak egyetlen monopólus van, és mi láttuk!
Blas Cabrera vezetésével, egy nyolc sodrású drótból álló kísérletben nyolc magneton fluxusváltozását észlelték: egy mágneses monopólusra utaló jeleket. Sajnos senki sem volt jelen az észleléskor, és soha senki nem reprodukálta ezt az eredményt, vagy nem talált második monopólust. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopole, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Míg a monopólusok úgy viselkednének, mint az anyag, egy kozmikus húrokkal, tartományfalakkal vagy kozmológiai textúrákkal rendelkező Univerzum jelentősen befolyásolná az Univerzum tágulását. A kozmikus húrok térbeli görbületként viselkednének, ami a teljes energiasűrűség kb. 0,4%-ánál kisebb mértékben lenne korlátozva, míg a tartományfalak a sötét energia egy olyan formáját hoznák létre, amely túl lassan gyorsítja az Univerzumot ahhoz, hogy magyarázatot adjon arra, amit mi megfigyelünk. Egy kozmológiai textúrának ugyanazok a hatásai lennének, mint egy kozmológiai állandónak, de a teljes megfigyelhető Univerzumunknak egyetlen hibán belül kellene lennie ahhoz, hogy megmagyarázza a megfigyeléseinket!
Az Univerzum energiasűrűsége, és mikor dominálhatnak. Ha kozmikus húrok vagy tartományfalak léteznének számottevő mennyiségben, akkor jelentősen hozzájárulnának az Univerzum tágulásához. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopólusoknak, húroknak, falaknak, textúráknak és minden más hibának ultrasúlyosnak kellene lennie, ha léteznek. A monopoloknak a valaha felfedezett legnagyobb tömegű részecskéknek kellene lenniük, ha léteznek, körülbelül 100 trilliószor (1014) olyan tömegűnek, mint a top kvark. A húroknak, falaknak és textúráknak a nagyméretű struktúrák magjaként kellene működniük, anyagot vonzva magukba, mielőtt bármilyen más struktúra kialakulna, és olyan jeleket létrehozva, amelyeknek a mai teleszkópok, felmérések és CMB-adatok erejét tekintve nagyon világosnak kellene lenniük. A modern korlátozások azt mondják, hogy ezek a struktúrák nem léteznek nagy mennyiségben, és a teljes kozmikus energiaháztartás legfeljebb néhány százalékát tehetik ki.
a benne lévő fluktuációk spektruma skálainvarianciára utal, míg a kozmikus húrok hálózata nagyon meredek emelkedést mutatna a grafikon bal szélső oldalán. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
A mai napig nincs bizonyíték arra, hogy a mi Univerzumunk hibás lenne, kivéve azt az egy megfigyelést egy mágneses monopólusról mintegy 35 évvel ezelőtt. Bár a létezésüket nem tudjuk megcáfolni (csak korlátozni tudjuk), nyitottnak kell maradnunk arra a lehetőségre, hogy ezek a topológiai hibák nem tiltottak, és hogy a fizika Standard Modelljének számos kiterjesztése szükségessé teszi őket. Sok forgatókönyv szerint, ha nem léteznek, az azért van, mert valami további dolognak kell elnyomnia őket. A bizonyíték hiánya nem bizonyíték a hiányra, de amíg nem látunk valami mást, ami arra utal, hogy a topológiai hiba valós az Univerzumban, addig ezt az elképzelést a spekuláció birodalmában kell hagynunk.
Küldje el Ask Ethan kérdéseit a startswithabang at gmail dot com címre!
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.