concetto da capire. Ma, grazie alla relatività generale di Einstein, siamo all’altezza della sfida. utente JohnsonMartin
La più grande lezione della teoria della relatività generale di Einstein è che lo spazio stesso non è un’entità piatta, immutabile e assoluta. Piuttosto è intessuto insieme al tempo in un unico tessuto: lo spazio-tempo. Questo tessuto è continuo, liscio, e viene curvato e deformato dalla presenza di materia ed energia. Tutto ciò che è presente in questo spaziotempo si muove lungo il percorso definito da questa curvatura, e la sua propagazione è limitata dalla velocità della luce. Ma se questo tessuto avesse dei difetti? Questa non è fantascienza, ma un’idea in buona fede nella fisica teorica, e la domanda Ask Ethan di questa settimana da gaijin, uno dei nostri sostenitori Patreon:
L’argomento che vorrei suggerire sono le reliquie ad alta energia, come i muri di dominio, le stringhe cosmiche, i monopoli, ecc… sarebbe bello leggere di più su cosa sono realmente questi difetti, qual è la loro origine, quali proprietà probabilmente hanno, o, e questa è probabilmente la parte più eccitante per me, come ci aspettiamo che appaiano e interagiscano con l’universo ‘ordinario’.
Un universo difettoso, quando si arriva a questo punto, è matematicamente molto facile da ottenere.
Il comportamento gravitazionale della Terra intorno al Sole non è dovuto a un’attrazione gravitazionale invisibile, ma è meglio descritto dalla Terra che cade liberamente attraverso lo spazio curvo dominato dal Sole. Anche in questo caso, comunque, la curvatura dello spazio è ancora estremamente piccola, e non ci sono difetti in essa. LIGO/T. Pyle
Prova a immaginare lo spazio meglio che puoi. Che aspetto ha? Lo stai immaginando vuoto, liscio e per lo più uniforme? State immaginando che le uniche deviazioni da ciò siano piccole e dovute alla presenza di masse e quanti di energia? Questo è un approccio abbastanza buono, e quello che i fisici prendono normalmente. Alle scale più grandi, ci aspettiamo che sia come una griglia tridimensionale, dove le uniche deviazioni sono piccole regioni di curvatura spaziale di bassa grandezza, che è ciò che crea la forza gravitazionale che conosciamo così bene. Lo spazio, in questa configurazione, sarebbe allo stato di minima energia.
e deformazioni dovute alla massa. Ma lo spazio non si sdoppia né si ripiega mai su se stesso, per quanto ne sappiamo.
Ma che dire degli stati eccitati? E gli altri stati? Per semplificare, togliamo due dimensioni spaziali e consideriamone solo una: una linea. La linea può essere dritta, aperta e infinita, o può essere chiusa, come un anello. Entrambe sono linee nello stato di energia più bassa. Come sarebbe uno stato di energia superiore? Immaginate di prendere la vostra linea e di renderla floscia, come una corda. Ora immaginate di fare un nodo nella corda: solo un cappio, un incrocio, un rimbocco e un tiro. Una corda senza nodi rappresenta uno spazio unidimensionale nello stato di minima energia; una corda con un solo nodo rappresenta uno spazio unidimensionale nel primo stato eccitato. Quel nodo è un difetto topologico 0-dimensionale.
difetto lungo una linea 1-D. Un nodo con la chiralità opposta, se si imbatte in questo nodo, potrebbe annullarli entrambi, ripristinando lo stato di più bassa energia. Public Domain /
Ora, si possono fare alcune cose interessanti con quella linea contenente nodi. Potete fare un altro nodo nello stesso identico modo, e ora avrete due difetti topologici che si aggiungono entrambi. Ma se fai un nodo nella direzione opposta, cioè hai fatto lo stesso anello, ma hai incrociato le estremità nella direzione opposta prima di rimboccare e tirare, fai un nodo che è l’opposto topologico del nodo originale. Se con molta attenzione portassi insieme sia il nodo originale che questo nuovo nodo opposto, scopriresti che potrebbero annullarsi a vicenda, riportandoti di nuovo allo stato di minima energia.
Ebbene, questi due tipi di difetti zero-dimensionali – il nodo e l’anti-nodo – hanno analogie fisiche nel nostro Universo: i monopoli magnetici. Un nodo corrisponde a un polo magnetico nord isolato; un anti-nodo corrisponde a un polo magnetico sud isolato. Se uno incontra l’altro, possono annichilirsi, proprio come la materia e l’antimateria, e riportare il tessuto dello spaziotempo al suo stato di energia più basso. Poiché sono solo particelle puntiformi, i monopoli si comporterebbero come la materia normale, non molto diverso dai monopoli elettrici (cariche elettriche positive e negative) che abbiamo oggi nel nostro Universo.
linee di campo magnetico nello stesso modo in cui una carica elettrica isolata emetterebbe linee di campo elettrico. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Torniamo ora al nostro universo tridimensionale. Si possono immaginare non solo difetti puntiformi, ma anche difetti di dimensioni superiori:
- Stringhe cosmiche: dove una linea unidimensionale di qualche tipo attraversa l’intero Universo osservabile.
- Muri di dominio: dove un piano bidimensionale, con proprietà discontinue da un lato all’altro, attraversa l’Universo.
- Texture cosmiche: dove una regione di spazio tridimensionale si annoda.
Così abbiamo difetti di monopolo (0-D), di stringa (1-D), di parete (2-D), e di texture (3-D) che sono possibilità, e sorgono da diversi meccanismi della stessa classe: ogni volta che una simmetria è rotta.
Secondo la cosmologia standard (L) e uno con una rete significativa di difetti topologici (R) danno strutture su larga scala molto diverse. Abbiamo osservazioni abbastanza buone per escludere che le stringhe cosmiche e i muri di dominio siano una componente dominante dell’Universo moderno. Andrey Kravtsov (simulazione cosmologica, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulazione in un universo di stringhe cosmiche, R)
La rottura della simmetria è un grosso problema in fisica. Ogni simmetria che esiste corrisponde a una quantità conservata, e quindi se una simmetria viene rotta, quella quantità non è più conservata. Si possono produrre monopoli rompendo una simmetria sferica; si possono produrre stringhe rompendo una simmetria assiale o cilindrica; rompere una simmetria discreta (come la parità, o la riflessione speculare) può creare muri di dominio. Altri difetti sono un po’ più difficili da intuire, ma spesso entrano in gioco quando si ha a che fare con scenari extradimensionali. Ma questi primi tre in particolare – monopoli, stringhe cosmiche, e muri di dominio – sono di particolare interesse per la cosmologia.
le forze del Modello Standard, e forse anche la gravità alle energie più elevate, sono unificate insieme in un unico quadro. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Sappiamo che il Modello Standard non può essere tutto quello che c’è, e ci sono molte estensioni che potrebbero avere affascinanti conseguenze osservabili. Una è l’idea della Grande Unificazione, dove le forze elettromagnetiche, deboli e nucleari forti si unificano tutte a qualche energia elevata. Questo non solo porterebbe alla presenza di nuove particelle e nuove interazioni, ma quando la simmetria che tiene insieme la forza forte con le altre due si rompe, dovrebbero essere prodotti monopoli magnetici. La mancanza di monopoli magnetici nel nostro Universo osservabile è spesso citata come prova dell’inflazione cosmica, e come ulteriore prova che l’Universo non diventa mai abbastanza caldo dopo la fine dell’inflazione per ripristinare la simmetria delle Teorie Grande Unificate.
Rottura, si produrrebbe un gran numero di monopoli magnetici. Ma il nostro Universo non li esibisce; se l’inflazione cosmica avesse luogo dopo la rottura di questa simmetria, al massimo un monopolo sarebbe ancora presente nell’Universo osservabile. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Le stringhe cosmiche e i muri di dominio sarebbero prodotti nelle transizioni di fase, se esistono, poco dopo la fine dell’inflazione. Ci possono essere simmetrie extra ad alta energia che vengono ripristinate nei primi tempi, e quando vengono rotte, questi difetti possono essere creati. Sia le stringhe cosmiche che i muri di dominio – uno solo o una rete di essi – lascerebbero una firma nella struttura su larga scala dell’Universo, mentre le trame si mostrerebbero nella CMB e i monopoli si mostrerebbero negli esperimenti di rilevamento diretto. Alcuni fisici, ironicamente, indicano l’unico monopolo magnetico scoperto il giorno di San Valentino del 1982 come prova dell’inflazione cosmica: c’è un solo monopolo in tutto l’Universo osservabile, e noi l’abbiamo visto!
Sotto la guida di Blas Cabrera, uno con otto giri di filo, ha rilevato un cambiamento di flusso di otto magnetoni: indicazioni di un monopolo magnetico. Purtroppo, nessuno era presente al momento del rilevamento, e nessuno ha mai riprodotto questo risultato o trovato un secondo monopolo. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Mentre i monopoli si comporterebbero come la materia, un Universo con stringhe cosmiche, muri di dominio o strutture cosmologiche influenzerebbe l’espansione dell’Universo in modo importante. Le stringhe cosmiche si comporterebbero come una curvatura spaziale, qualcosa di vincolato a meno di circa lo 0,4% della densità totale di energia, mentre i muri di dominio creerebbero una forma di energia oscura che accelera l’Universo troppo lentamente per rendere conto di ciò che osserviamo. Una trama cosmologica avrebbe gli stessi effetti di una costante cosmologica, ma tutto il nostro Universo osservabile dovrebbe essere contenuto in un singolo difetto per spiegare le nostre osservazioni!
Densità di energia dell’Universo, e quando potrebbero dominare. Se le stringhe cosmiche o i muri di dominio esistessero in quantità apprezzabile, contribuirebbero significativamente all’espansione dell’Universo. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopoli, stringhe, muri, trame, e qualsiasi altro difetto dovrebbero essere ultra-pesanti, se esistono. I monopoli dovrebbero essere le particelle più massicce mai scoperte, se reali, circa un fattore di 100 trilioni (1014) di volte più massiccio del quark superiore. Stringhe, pareti e strutture dovrebbero agire come semi di strutture su larga scala, tirando dentro la materia prima che si formino altre strutture, e creando firme che dovrebbero essere molto chiare, data la potenza dei telescopi di oggi, delle indagini e dei dati CMB. I vincoli moderni ci dicono che queste strutture non esistono in grande abbondanza, e non possono essere più di qualche percento del bilancio energetico cosmico totale.
di fluttuazioni al suo interno, indica un’invarianza di scala, mentre una rete di stringhe cosmiche avrebbe esibito un aumento molto ripido sul lato più a sinistra del grafico. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
Ad oggi, non ci sono prove che il nostro Universo sia difettoso, a parte l’osservazione di un monopolo magnetico circa 35 anni fa. Mentre non possiamo confutare la loro esistenza (possiamo solo limitarla), dobbiamo tenere la mente aperta alla possibilità che questi difetti topologici non siano proibiti, e che molte estensioni del Modello Standard della fisica li richiedano. In molti scenari, se non esistono, è perché qualcosa di aggiuntivo deve sopprimerli. L’assenza di prove non è prova di assenza, ma finché non vedremo qualcos’altro che indichi che un difetto topologico è reale nell’Universo, dobbiamo lasciare questa idea nel regno della speculazione.
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