Alai

Het begrip ruimtetijd is lastig te begrijpen. Maar dankzij Einsteins algemene relativiteit kunnen we de uitdaging aan. user JohnsonMartin

De grootste les uit Einsteins algemene relativiteitstheorie is dat de ruimte zelf geen platte, onveranderlijke, absolute entiteit is. In plaats daarvan is het samen met tijd geweven tot een enkel weefsel: ruimtetijd. Dit weefsel is continu, glad, en wordt gekromd en vervormd door de aanwezigheid van materie en energie. Alles wat zich in deze ruimtetijd bevindt, beweegt langs het pad dat door die kromming wordt bepaald, en de voortplanting ervan wordt beperkt door de snelheid van het licht. Maar wat als dit weefsel gebreken vertoont? Dit is geen science-fiction, maar een bonafide idee in de theoretische natuurkunde, en deze week de vraag aan Ethan van gaijin, een van onze Patreon supporters:

Het onderwerp dat ik zou willen voorstellen is hoog-energetische relikwieën, zoals domeinwanden, kosmische snaren, monopolen, etc… het zou geweldig zijn om meer te lezen over wat deze defecten werkelijk zijn, wat hun oorsprong is, welke eigenschappen ze waarschijnlijk hebben, of, en dit is waarschijnlijk het meest opwindende deel voor mij, hoe we verwachten dat ze eruit zullen zien en zullen interageren met het ‘gewone’ heelal.

Een defect heelal is, als het erop aankomt, wiskundig zeer eenvoudig te krijgen.

Het zwaartekrachtgedrag van de Aarde rond de Zon is niet te wijten aan een onzichtbare zwaartekracht, maar wordt beter beschreven door de Aarde die vrij door de gekromde ruimte valt die door de Zon wordt gedomineerd. Maar zelfs in dit geval is de kromming van de ruimte nog steeds uiterst klein, en er zijn geen defecten in. LIGO/T. Pyle

Probeer je de ruimte zo goed mogelijk voor te stellen. Hoe ziet het eruit? Stelt u zich die voor als leeg, glad en grotendeels uniform? Stelt u zich voor dat de enige afwijkingen daarvan klein zijn en te wijten aan de aanwezigheid van massa’s en energiekwanta? Dat is een vrij goede benadering, die natuurkundigen gewoonlijk volgen. Op de grootste schalen verwachten wij dat de ruimte er uitziet als een driedimensionaal raster, waarbij de enige afwijkingen bestaan uit kleine regio’s van ruimtelijke kromming van geringe omvang, waardoor de ons zo bekende gravitatiekracht ontstaat. De ruimte zou zich in deze configuratie in de toestand van de laagste energie bevinden.

Het weefsel van ruimtetijd, geïllustreerd, met rimpelingen en vervormingen ten gevolge van massa. Maar de ruimte verdubbelt nooit en vouwt zich ook niet in zichzelf, voor zover wij weten. Maar de ruimte verdubbelt of vouwt zich nooit op zichzelf, voor zover wij weten.

Maar hoe zit het met opgewonden toestanden? Hoe zit het met andere toestanden? Laten we, om het gemakkelijk te maken, twee van de ruimtelijke dimensies wegnemen en slechts één beschouwen: een lijn. De lijn kan recht, open en oneindig zijn, maar ook gesloten, als een lus. Beide zijn lijnen in de laagste energietoestand. Hoe zou een hogere energietoestand eruit zien? Stel je voor dat je de lijn slapper maakt, als een touwtje. Stel je nu voor dat je een knoop in het touw legt: gewoon een lus, kriskras, plooien, en trekken. Een snaar zonder knoop vertegenwoordigt eendimensionale ruimte in de laagste energietoestand; een snaar met een enkele knoop erin vertegenwoordigt eendimensionale ruimte in de eerste aangeslagen toestand. Die knoop is een 0-dimensionaal topologisch defect.

defect langs een 1-D lijn. Een knoop met de tegengestelde chiraliteit, als hij in deze knoop terechtkomt, kan ze beide ongedaan maken, waardoor de toestand met de laagste energie hersteld wordt. Publiek Domein /

Nu kun je een aantal interessante dingen doen met die knoop-bevattende lijn. Je kunt er op precies dezelfde manier nog een knoop in leggen, en nu heb je twee topologische defecten die allebei optellen. Maar als je een knoop legt in de tegenovergestelde richting, d.w.z. je maakt dezelfde lus, maar je kruist de uiteinden in de tegenovergestelde richting voor je ze plooit en trekt, dan maak je een knoop die topologisch het tegenovergestelde is van de originele knoop. Als je heel voorzichtig zowel de oorspronkelijke knoop als deze nieuwe, tegengestelde knoop bij elkaar zou brengen, zou je merken dat ze elkaar ongedaan kunnen maken, waardoor je weer in de toestand van de laagste energie zou komen.

Wel, die twee soorten nul-dimensionale defecten – de knoop en de anti-knoop – hebben natuurkundige analogieën in ons heelal: magnetische monopolen. Een knoop komt overeen met een geïsoleerde noordmagnetische pool; een antiknoop komt overeen met een geïsoleerde zuidmagnetische pool. Als de ene tegen de andere botst, kunnen ze elkaar vernietigen, net als materie en antimaterie, en het weefsel van de ruimtetijd terugbrengen naar zijn laagste energietoestand. Omdat het slechts puntvormige deeltjes zijn, zouden monopolen zich gedragen als normale materie, niet veel anders dan de elektrische monopolen (positieve en negatieve elektrische ladingen) die we vandaag de dag in ons heelal hebben.

Magnetische veldlijnen op dezelfde manier als een geïsoleerde elektrische lading elektrische veldlijnen zou uitzenden. BPS Staten in Omega Achtergrond en Integrabiliteit – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116

Dus laten we nu terugkomen op ons driedimensionale heelal. Je kunt je niet alleen puntvormige defecten voorstellen, maar ook hoger dimensionale defecten:

1. Kosmische Strings: waar een soort eendimensionale lijn door het hele waarneembare Heelal loopt.
2. Domeinwanden: waar een tweedimensionaal vlak, met discontinue eigenschappen van de ene kant naar de andere, door het Heelal loopt.
3. Kosmische Texturen: waar een gebied van de driedimensionale ruimte in de knoop raakt.

Dus we hebben monopole (0-D), string (1-D), wall (2-D), en texture (3-D) defecten die mogelijkheden zijn, en ze ontstaan uit verschillende mechanismen van dezelfde klasse: telkens als een symmetrie wordt verbroken.

volgens de standaard kosmologie (L) en een met een significant netwerk van topologische defecten (R) geven enorm verschillende grootschalige structuren. We hebben waarnemingen die goed genoeg zijn om uit te sluiten dat kosmische snaren en domeinwanden een dominante component van het moderne heelal zijn. Andrey Kravtsov (kosmologische simulatie, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulatie in een kosmisch snarenuniversum, R)

Symmetriebreking is een groot probleem in de natuurkunde. Elke symmetrie die bestaat correspondeert met een behouden grootheid, en dus als een symmetrie wordt verbroken, wordt die grootheid niet langer behouden. Je kunt monopolen produceren door een sferische symmetrie te breken; je kunt snaren produceren door een axiale of cilindrische symmetrie te breken; door een discrete symmetrie te breken (zoals pariteit, of spiegelbeeldreflectie) kun je domeinmuren creëren. Andere defecten zijn wat moeilijker te intuïtief, maar spelen vaak een rol als je te maken hebt met extra-dimensionale scenario’s. Maar die eerste drie in het bijzonder – monopolen, kosmische snaren, en domeinwanden – zijn van bijzonder belang voor de kosmologie.

de krachten van het Standaardmodel, en misschien zelfs de zwaartekracht bij hogere energieën, worden samen verenigd in één enkel raamwerk. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com

We weten dat het Standaard Model niet alles kan zijn wat er is, en er zijn vele uitbreidingen die fascinerende waarneembare gevolgen zouden kunnen hebben. Een daarvan is het idee van Grote Eenwording, waarbij de elektromagnetische, zwakke en sterke kernkrachten zich allemaal verenigen bij een hoge energie. Dit zou niet alleen resulteren in de aanwezigheid van nieuwe deeltjes en nieuwe interacties, maar wanneer de symmetrie die de sterke kracht samenhoudt met de andere twee breekt, zouden magnetische monopolen moeten worden geproduceerd. Het ontbreken van magnetische monopolen in ons waarneembare Heelal wordt vaak aangevoerd als bewijs voor kosmische inflatie, en als verder bewijs dat het Heelal nooit heet genoeg wordt na het einde van de inflatie om de symmetrie van Grote Eenheidstheorieën te herstellen.

Als de symmetrie die de grote eenwording herstelt, zou worden verbroken, zou er een groot aantal magnetische monopolen worden voortgebracht. Maar in ons heelal komen ze niet voor; als de kosmische inflatie zou plaatsvinden nadat deze symmetrie was verbroken, zou er nog ten hoogste één monopool in het waarneembare heelal aanwezig zijn. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Kosmische snaren en domeinwanden zouden worden geproduceerd in faseovergangen, als ze bestaan, kort na het einde van de inflatie. Er kunnen extra hoog-energetische symmetrieën zijn die in vroege tijden worden hersteld, en wanneer deze worden verbroken, kunnen deze defecten ontstaan. Zowel kosmische snaren als domeinwanden – een enkele of een netwerk ervan – zouden een handtekening achterlaten in de grootschalige structuur van het heelal, terwijl texturen te zien zouden zijn in de CMB en monopolen zouden opduiken in directe detectie-experimenten. Sommige natuurkundigen wijzen met een knipoog op de ene magnetische monopool die in 1982 op Valentijnsdag werd ontdekt als bewijs van kosmische inflatie: er is maar één monopool in het hele waarneembare heelal, en wij zagen hem!

onder leiding van Blas Cabrera, een met acht windingen van draad, detecteerde een fluxverandering van acht magnetonen: aanwijzingen voor een magnetische monopool. Helaas was er niemand aanwezig op het moment van de detectie, en niemand heeft dit resultaat ooit gereproduceerd of een tweede monopool gevonden. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381

Terwijl monopolen zich als materie zouden gedragen, zou een heelal met kosmische snaren, domeinwanden, of kosmologische texturen de uitdijing van het heelal op een belangrijke manier beïnvloeden. Kosmische koorden zouden zich gedragen als ruimtelijke kromming, iets dat minder dan ongeveer 0,4% van de totale energiedichtheid zou moeten zijn, terwijl domeinwanden een vorm van donkere energie zouden creëren die het heelal te langzaam zou versnellen om te verklaren wat wij waarnemen. Een kosmologische textuur zou dezelfde effecten hebben als een kosmologische constante, maar ons hele waarneembare Heelal zou binnen een enkel defect moeten vallen om onze waarnemingen te verklaren!

De energiedichtheid van het heelal, en wanneer ze zouden kunnen domineren. Als er veel kosmische slierten of domeinwanden bestonden, zouden ze een aanzienlijke bijdrage leveren aan de uitdijing van het heelal. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Monopolen, snaren, muren, texturen, en alle andere defecten zouden ultrazwaar moeten zijn als ze bestaan. Monopolen zouden de meest massieve deeltjes ooit ontdekt moeten zijn, als ze echt zijn, ongeveer een factor 100 triljoen (1014) keer zo massief als de top quark. Snaren, muren en texturen zouden moeten fungeren als de kiemen van grootschalige structuren, die materie naar zich toe trekken voordat andere structuren zich vormen, en handtekeningen creëren die heel duidelijk zouden moeten zijn, gezien de kracht van de huidige telescopen, peilingen, en CMB gegevens. Moderne beperkingen vertellen ons dat deze structuren niet in grote overvloed bestaan, en niet meer dan een paar procent van het totale kosmische energiebudget kunnen zijn.

van fluctuaties binnen het, wijst op schaal-invariantie, terwijl een netwerk van kosmische snaren een zeer steile stijging aan de linkerkant van de grafiek zou hebben vertoond. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096

Vooralsnog is er geen bewijs dat ons heelal defect is, afgezien van die ene waarneming van een magnetische monopool zo’n 35 jaar geleden. Hoewel we hun bestaan niet kunnen weerleggen (we kunnen het alleen beperken), moeten we onze geest open houden voor de mogelijkheid dat deze topologische defecten niet verboden zijn, en dat veel uitbreidingen van het Standaard Model van de natuurkunde ze noodzakelijk maken. In veel scenario’s is het zo dat als ze niet bestaan, dat komt omdat iets extra’s ze moet onderdrukken. Afwezigheid van bewijs is geen bewijs van afwezigheid, maar totdat we iets anders zien dat erop wijst dat een topologisch defect echt bestaat in het heelal, moeten we dit idee in het rijk der speculaties laten.

Stuur je Ask Ethan vragen naar startswithabang at gmail dot com!

Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.