理解するための概念。 しかし、アインシュタインの一般相対性理論のおかげで、私たちはチャレンジすることができました。 user JohnsonMartin
アインシュタインの一般相対性理論からの最大の教訓は、空間そのものが平らで不変な絶対的存在ではない、ということです。 むしろそれは、時間と共に、時空という一つの織物に織り込まれているのです。 この時空は連続的で滑らかであり、物質やエネルギーが存在すると湾曲し、変形する。 この時空に存在するすべてのものは、その曲率によって定義された経路に沿って移動し、その伝播は光速によって制限される。 しかし、この布に欠陥があるとしたらどうだろう？ これはSFではなく、理論物理学における正真正銘のアイデアです。今週のイーサンへの質問は、パトロンサポーターの一人であるgaijinさんからです。
私が提案したいトピックは、ドメインウォール、宇宙ひも、モノポールなどの高エネルギー遺物です。これらの欠陥が実際に何であるか、その起源は何か、それらが持つ可能性が高い特性、あるいは、これはおそらく私にとって最もエキサイティングな部分ですが、それらが「普通の」宇宙にどう見え、どう作用すると予想しているかについてもっと読むことは素晴らしいことでしょうね。
欠陥のある宇宙は、突き詰めれば数学的に非常に簡単です。
太陽は目に見えない重力によるものではなく、地球が太陽に支配された曲がった空間の中を自由に落下することでよりよく説明される。 ただし、この場合でも空間の曲率は極めて小さく、不具合はない。 LIGO/T. Pyle
宇宙をできるだけ想像してみてください。 それはどのようなものでしょうか。 何もなく、滑らかで、ほとんど一様だと想像していませんか？ それからの唯一の逸脱は、質量とエネルギーの量子の存在に起因する小さなものだと想像していますか？ これは非常に良いアプローチで、物理学者が通常取る方法です。 最も大きなスケールでは、3次元の碁盤の目のようになり、唯一の逸脱は小さな空間曲率の領域で、これが私たちのよく知る重力を生み出しているのだと予想される。 この構成では、空間は最もエネルギーの低い状態になります。
しかし、励起状態についてはどうでしょうか？ 他の状態はどうなのでしょうか？ 簡単にするために、空間次元を2つ取り除いて、1つだけ考えてみましょう：線です。 線はまっすぐで、開いていて、無限であることもあれば、ループのように閉じていることもある。 どちらも、最もエネルギーの低い状態の線である。 では、より高いエネルギーの状態とはどのようなものでしょうか？ 今作った線を、紐のようにペラペラにしたものを想像してください。 そして、そのひもに結び目を作って、輪っかを作り、十字に交差させ、たぐり寄せて、引っ張ったとします。 結び目のないひもは、最もエネルギーの低い状態での一次元空間を表し、結び目が1つあるひもは、第一励起状態での一次元空間を表します。 その結び目は0次元のトポロジカル欠陥である。
さて、その結び目を含む線を使って、面白いことができます。 まったく同じように別の結び目を作ると、今度は2つのトポロジカルな欠陥ができ、両方とも足されます。 しかし、反対方向に結び目を作ると、つまり、同じループを作り、両端を反対方向に交差させてからタックして引っ張ると、元の結び目と位相的に反対の結び目ができます。 元の結び目と、この新しく反対側に結ばれた結び目の両方を非常に注意深く一緒にすると、互いに元に戻すことができ、再び最低エネルギー状態に戻ることがわかります。 結び目は孤立した北磁極に対応し、反結び目は孤立した南磁極に対応します。 一方が他方にぶつかると、物質と反物質のように消滅して、時空が最もエネルギーの低い状態に戻ってしまうのです。
さて、話を3次元宇宙に戻しましょう。
- Cosmic Strings: ある種の一次元の線が観測可能な宇宙全体を貫いているところ。
- Domain Walls: 2次元平面が宇宙を横断し、片方から反対側まで不連続な特性を持つところ。
- Cosmic Texture: 3次元空間の領域が結びついたところ。
つまり、モノポール（0次元）、ストリング（1次元）、ウォール（2次元）、テクスチャ（3次元）の欠陥があり、これらは同じクラスの異なるメカニズムから発生します：対称性が破られるたびに。
標準宇宙論(L)とトポロジカル欠陥(R)の有意なネットワークのある宇宙では、大規模な構造が大きく異なることがわかる。 我々は、宇宙ひもやドメインウォールが現代宇宙の支配的な構成要素であることを否定するのに十分な観測結果を得ている。 Andrey Kravtsov (cosmological simulation, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulation in a cosmic string Universe, R)
Symmetry breaking is a big deal in physics.物理学では対称性の破れが重要である。 存在するすべての対称性は保存量に対応しているので、対称性が破れるとその量はもはや保存されなくなります。 球面対称性を破ると単極点ができ、軸対称性や円筒対称性を破ると弦ができ、離散対称性（パリティや鏡像反射など）を破ると領域壁ができる。 その他の欠陥は、直感的に理解するのが少し難しいのですが、余分な次元のシナリオを扱うときによく登場します。
私たちは標準模型がすべてではないことを知っており、観測可能な魅力的な結果をもたらしうる多くの拡張が存在することを理解しています。 一つは、ある高エネルギーで電磁力、弱い力、強い核力がすべて統一される大統一という考えです。 この場合、新しい粒子や新しい相互作用が生まれるだけでなく、強い力と他の2つの力を結びつけていた対称性が崩れ、磁気単極子が発生するはずです。 私たちの観測可能な宇宙に磁気単極子が存在しないことは、しばしば宇宙インフレーションの証拠として、また、インフレーションが終わった後、宇宙が大統一理論の対称性を回復するほど熱くならないことのさらなる証拠として引用されています。 しかし、我々の宇宙はそれを示さない。この対称性が破られた後に宇宙インフレーションが起こったとしても、観測可能な宇宙内にはせいぜい1つの単極しか存在しない。 壊されれば、多数の磁気単極が生成されるだろう。 しかし、我々の宇宙にはそれがない。もしこの対称性が破られた後に宇宙インフレーションが起こったとしたら、観測可能な宇宙にはまだせいぜい1つの単極しか存在しないことになる。 E. Siegel / Beyond The Galaxy
宇宙線とドメインウォールは、もし存在するならば、インフレーションの終了後すぐに、相転移で生成されるでしょう。 初期に復元される高エネルギーの対称性が余分にあり、それが壊れると、これらの欠陥ができるのかもしれません。 宇宙線もドメインウォールも、単一のものであれネットワークであれ、宇宙の大規模構造にサインを残すでしょうし、テクスチャーはCMBに、モノポールは直接検出実験に現れるでしょう。 1982年のバレンタインデーに発見された1つの磁気単極子を、宇宙インフレーションの証拠として、皮肉を込めて指摘する物理学者もいます：観測可能な宇宙全体で単極子は1つだけで、我々はそれを見ました！
Blas Cabrera氏の主導で行われた実験では、8ターンのワイヤーで8個のマグネトンの磁束変化が検出された：磁気単極子の兆候。 残念ながら、検出時に誰もいなかったため、この結果を再現したり、2つ目のモノポールを見つけたりした人はいない。 カブレラ B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
モノポールは物質のように作用するが、宇宙ひも、ドメインウォール、宇宙論的テクスチャを持つ宇宙は、宇宙の膨張に大きな影響を与えるだろう。 宇宙ひもは空間的な曲率のように振る舞い、全エネルギー密度の約0.4%未満に制限されるもので、ドメインウォールは宇宙を加速する暗黒エネルギーの一種を作り、我々が観測するものを説明するには遅すぎるものでしょう。 宇宙論的テクスチャは宇宙定数と同じ効果を持つが、我々の観測を説明するには、観測可能な宇宙全体が単一の欠陥の中に含まれていなければならない！
宇宙のエネルギー密度、およびそれらが支配的になる可能性がある場合。 宇宙のエネルギー密度と、それが支配的になる時期。もし宇宙ひもや磁壁がある程度存在すれば、宇宙の膨張に大きく貢献するだろう。 E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopole, strings, walls, textures, and any other defects should be ultra-heavy if they exist.もし単極、弦、壁、テクスチャー、その他の欠陥が存在するならば、それらは超重量級であるべきです。 モノポールは、もし実在するならば、これまでに発見された最も重い粒子であり、トップクォークの約100兆倍（1014倍）の質量を持つはずです。 ストリング、ウォール、テクスチャーは大規模構造の種となり、他の構造が形成される前に物質をそこに引き込み、今日の望遠鏡、サーベイ、CMBデータの能力をもってすれば、非常に明確なサインを作り出すはずである。
その中の揺らぎのスペクトルは、スケール不変性を指し示し、一方、宇宙線のネットワークは、グラフの最も左側に非常に急な上昇を示すだろう。 諸井武男 & 高橋智 http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
35年ほど前の磁気単極の観測を除いて、今日のところ、我々の宇宙が欠陥品であるという証拠はない。 その存在を反証することはできませんが（制約することしかできません）、これらのトポロジカル欠陥が禁じられたものではなく、物理学の標準モデルへの多くの拡張がそれらを必要とする可能性に心を開いておく必要があります。 多くのシナリオにおいて、もしトポロジカルな欠陥が存在しないのであれば、それは何か別のものがそれを抑制しているに違いないからである。 しかし、トポロジカル欠陥が宇宙に実在することを指し示す他の何かを見るまでは、この考えを推測の域にとどめておかなければなりません。