koncepcja do zrozumienia. Ale dzięki ogólnej teorii względności Einsteina jesteśmy w stanie sprostać temu wyzwaniu. użytkownik JohnsonMartin
Największą lekcją płynącą z ogólnej teorii względności Einsteina jest to, że przestrzeń sama w sobie nie jest płaskim, niezmiennym, absolutnym bytem. Jest ona raczej utkana razem z czasem w jedną tkaninę: czasoprzestrzeń. Ta tkanina jest ciągła, gładka i ulega zakrzywieniu i deformacji pod wpływem obecności materii i energii. Wszystko, co znajduje się w czasoprzestrzeni, porusza się po ścieżce wyznaczonej przez tę krzywiznę, a jego propagacja jest ograniczona przez prędkość światła. Ale co by było, gdyby ta tkanina miała wady? To nie jest science-fiction, ale prawdziwy pomysł z dziedziny fizyki teoretycznej, a w tym tygodniu pytanie od gaijina, jednego z naszych Patreonowych sympatyków, zadaje Ethan:
Tematem, który chciałbym zasugerować są wysokoenergetyczne relikty, takie jak ściany domen, kosmiczne struny, monopole, itp… byłoby wspaniale przeczytać więcej o tym, czym te defekty naprawdę są, jakie jest ich pochodzenie, jakie właściwości prawdopodobnie posiadają, lub, i to jest prawdopodobnie najbardziej ekscytująca część dla mnie, jak spodziewamy się, że będą wyglądać i oddziaływać ze „zwykłym” wszechświatem.
Wszechświat wadliwy, kiedy przychodzi do tego, jest matematycznie bardzo łatwy do uzyskania.
Słońce nie jest ze względu na niewidzialne przyciąganie grawitacyjne, ale jest lepiej opisany przez Ziemię spadając swobodnie przez zakrzywioną przestrzeń zdominowaną przez Słońce. Jednak nawet w tym przypadku krzywizna przestrzeni jest nadal niezwykle mała i nie ma w niej żadnych defektów. LIGO/T. Pyle
Postaraj się wyobrazić sobie przestrzeń najlepiej jak potrafisz. Jak ona wygląda? Czy wyobrażasz sobie, że jest pusta, gładka i w większości jednolita? Czy wyobrażasz sobie, że jedyne odstępstwa od tego są niewielkie i wynikają z obecności mas i kwantów energii? To całkiem dobre podejście i takie, jakie zwykle przyjmują fizycy. W największych skalach oczekujemy, że będzie ona przypominać trójwymiarową siatkę, w której jedynymi odchyleniami są małe obszary zakrzywienia przestrzennego o niewielkiej magnitudzie, czyli to, co tworzy siłę grawitacji, którą tak dobrze znamy. Przestrzeń, w tej konfiguracji, byłaby w stanie najniższej energii.
i deformacje spowodowane masą. Ale przestrzeń nigdy nie podwaja się z powrotem lub fałdy na siebie, o ile wiemy.
Ale co ze stanami wzbudzonymi? Co z innymi stanami? Aby to ułatwić, odejmijmy dwa wymiary przestrzenne i rozważmy tylko jeden: linię. Linia może być prosta, otwarta i nieskończona, albo może być zamknięta, jak pętla. Oba te przypadki to linie w stanie o najniższej energii. Jak wyglądałby stan o wyższej energii? Wyobraź sobie, że wziąłeś swoją linię i uczyniłeś ją wiotką, jak sznurek. Teraz wyobraź sobie, że zawiązałeś węzeł na sznurku: po prostu pętla, krzyżyk, wciśnięcie i pociągnięcie. Sznurek bez węzła reprezentuje jednowymiarową przestrzeń w stanie najniższej energii; sznurek z pojedynczym węzłem reprezentuje jednowymiarową przestrzeń w pierwszym stanie wzbudzonym. Węzeł ten jest 0-wymiarowym defektem topologicznym.
defekt wzdłuż linii 1-D. Węzeł o przeciwnej chiralności, jeśli wpadnie na ten węzeł, może cofnąć je oba, przywracając stan o najniższej energii. Public Domain /
Teraz można zrobić kilka interesujących rzeczy z tą linią zawierającą węzeł. Można zawiązać w niej kolejny węzeł dokładnie w ten sam sposób i teraz będziemy mieli dwa defekty topologiczne, które się dodają. Ale jeśli zawiążesz węzeł w przeciwnym kierunku, tzn. zrobisz tę samą pętlę, ale skrzyżujesz końce w przeciwną stronę przed zawinięciem i pociągnięciem, to stworzysz węzeł, który jest topologicznym przeciwieństwem pierwotnego węzła. Gdybyś bardzo ostrożnie połączył ze sobą oryginalny węzeł i ten nowy, przeciwnie związany węzeł, odkryłbyś, że mogą się one nawzajem rozłączyć, sprowadzając cię ponownie do stanu o najniższej energii.
Dobrze, te dwa rodzaje zero-wymiarowych defektów – węzeł i anty-węzeł – mają fizyczne analogie w naszym Wszechświecie: monopole magnetyczne. Węzeł odpowiada odizolowanemu Północnemu Biegunowi Magnetycznemu; anty-węzeł odpowiada odizolowanemu Południowemu Biegunowi Magnetycznemu. Jeśli jeden z nich wpadnie na drugi, mogą ulec anihilacji, tak jak materia i antymateria, przywracając czasoprzestrzeń do stanu o najniższej energii. Ponieważ są one tylko punkt-jak cząstki, monopole będą zachowywać się jak normalna materia, nie wiele różni się od elektrycznych monopoli (dodatnie i ujemne ładunki elektryczne) mamy w naszym Universe today.
linie pola magnetycznego w ten sam sposób izolowany ładunek elektryczny emituje linie pola elektrycznego. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Wróćmy więc teraz do naszego trójwymiarowego Wszechświata. Możesz sobie wyobrazić nie tylko defekty punktowe, ale także defekty wyższych wymiarów:
- Kosmiczne struny: gdzie jednowymiarowa linia jakiegoś rodzaju przebiega przez cały obserwowalny Wszechświat.
- Ściany domenowe: gdzie dwuwymiarowa płaszczyzna, o nieciągłych własnościach z jednej strony na drugą, przebiega przez Wszechświat.
- Kosmiczne tekstury: gdzie region trójwymiarowej przestrzeni zostaje splątany.
Więc mamy monopol (0-D), strunę (1-D), ścianę (2-D) i defekty tekstury (3-D), które są możliwościami, i powstają z różnych mechanizmów tej samej klasy: kiedy symetria jest łamana.
zgodnie ze standardową kosmologią (L) i taki ze znaczącą siecią defektów topologicznych (R) dają ogromnie różne struktury wielkoskalowe. Mamy wystarczająco dobre obserwacje, aby wykluczyć kosmiczne struny i ściany domenowe jako dominujący składnik współczesnego Wszechświata. Andrey Kravtsov (symulacja kosmologiczna, L); B. Allen & E.P. Shellard (symulacja we Wszechświecie strun kosmicznych, R)
Łamanie symetrii jest wielką sprawą w fizyce. Każda istniejąca symetria odpowiada zachowywanej wielkości, więc jeśli symetria jest złamana, ta wielkość nie jest już zachowywana. Możesz wytworzyć monopole łamiąc symetrię sferyczną; możesz wytworzyć struny łamiąc symetrię osiową lub cylindryczną; łamiąc dyskretną symetrię (jak parzystość lub odbicie lustrzane) możesz stworzyć ściany domen. Inne defekty są nieco trudniejsze do zrozumienia, ale często wchodzą w grę, gdy mamy do czynienia z pozawymiarowymi scenariuszami. Ale te pierwsze trzy w szczególności – monopole, kosmiczne struny i ściany domenowe – są szczególnie interesujące dla kosmologii.
siły Modelu Standardowego, a być może nawet grawitacja przy wyższych energiach, są zunifikowane razem w jednej ramie. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Wiemy, że Model Standardowy nie może być wszystkim, co istnieje, i istnieje wiele rozszerzeń, które mogłyby mieć fascynujące obserwowalne konsekwencje. Jednym z nich jest idea Wielkiej Unifikacji, gdzie siły elektromagnetyczne, słabe i silne jądrowe jednoczą się przy jakiejś wysokiej energii. Spowodowałoby to nie tylko pojawienie się nowych cząstek i nowych oddziaływań, ale po złamaniu symetrii utrzymującej siłę silną razem z pozostałymi dwiema, powinny powstać monopole magnetyczne. Brak monopoli magnetycznych w naszym obserwowalnym Wszechświecie jest często przytaczany jako dowód na kosmiczną inflację, a także jako kolejny dowód na to, że Wszechświat nigdy nie staje się wystarczająco gorący po zakończeniu inflacji, aby przywrócić symetrię Wielkich Zunifikowanych Teorii.
Gdyby symetria przywracająca wielką unifikację została złamana, powstałaby duża liczba monopoli magnetycznych. Ale nasz Wszechświat ich nie wykazuje; gdyby kosmiczna inflacja miała miejsce po złamaniu tej symetrii, co najwyżej jeden monopol byłby nadal obecny w obserwowalnym Wszechświecie. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Kosmiczne struny i ściany domenowe byłyby produkowane w przejściach fazowych, jeśli istnieją, krótko po zakończeniu inflacji. Mogą istnieć dodatkowe wysokoenergetyczne symetrie, które są przywracane we wczesnych okresach, a kiedy zostają złamane, defekty te mogą być tworzone. Zarówno kosmiczne struny, jak i ściany domenowe – pojedyncza lub ich sieć – pozostawiłyby ślad w wielkoskalowej strukturze Wszechświata, podczas gdy tekstury ujawniłyby się w CMB, a monopole w eksperymentach bezpośredniej detekcji. Niektórzy fizycy, z przymrużeniem oka, wskazują na jeden monopol magnetyczny odkryty w Walentynki 1982 roku jako dowód na istnienie kosmicznej inflacji: w całym obserwowalnym Wszechświecie jest tylko jeden monopol i my go widzieliśmy!
eksperyment prowadzony pod kierownictwem Blasa Cabrery, jeden z ośmioma zwojami drutu, wykrył zmianę strumienia ośmiu magnetonów: oznaki monopolu magnetycznego. Niestety, nikt nie był obecny w momencie wykrycia, i nikt nigdy nie odtworzył tego wyniku, ani nie znalazł drugiego monopolu. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopole, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Podczas gdy monopole zachowywałyby się jak materia, Wszechświat z kosmicznymi strunami, ścianami domenowymi lub kosmologicznymi teksturami wpłynąłby na ekspansję Wszechświata w znaczący sposób. Kosmiczne struny zachowywałyby się jak zakrzywienie przestrzenne, coś, co musi być mniejsze niż około 0,4% całkowitej gęstości energii, podczas gdy ściany domenowe tworzyłyby formę ciemnej energii, która przyspiesza Wszechświat zbyt wolno, aby tłumaczyć to, co obserwujemy. Tekstura kosmologiczna miałaby takie same efekty jak stała kosmologiczna, ale cały nasz obserwowalny Wszechświat musiałby być zawarty w pojedynczym defekcie, aby wyjaśnić nasze obserwacje!
Gęstość energii Wszechświata i kiedy mogłyby dominować. Jeśli kosmiczne struny lub ściany domenowe istniałyby w jakiejś znaczącej ilości, przyczyniłyby się znacząco do ekspansji Wszechświata. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopole, struny, ściany, tekstury i wszelkie inne defekty powinny być ultra ciężkie, jeśli istnieją. Monopole powinny być najbardziej masywnymi cząstkami, jakie kiedykolwiek odkryto, jeśli są prawdziwe, w przybliżeniu czynnik 100 trylionów (1014) razy masywniejsze niż kwark górny. Struny, ściany i tekstury powinny działać jak nasiona wielkoskalowej struktury, wciągając do niej materię zanim uformują się jakiekolwiek inne struktury i tworząc sygnatury, które powinny być bardzo wyraźne, biorąc pod uwagę moc dzisiejszych teleskopów, badań i danych CMB. Współczesne ograniczenia mówią nam, że struktury te nie występują w wielkiej obfitości i mogą stanowić nie więcej niż kilka procent całkowitego budżetu energii kosmicznej.
fluktuacji w jego obrębie, wskazuje na niezmienniczość skali, podczas gdy sieć kosmicznych strun wykazywałaby bardzo stromy wzrost po lewej stronie wykresu. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
Na dzień dzisiejszy nie ma żadnych dowodów na to, że nasz Wszechświat jest wadliwy, z wyjątkiem jednej obserwacji monopolu magnetycznego jakieś 35 lat temu. Chociaż nie możemy obalić ich istnienia (możemy je tylko ograniczyć), musimy zachować nasze umysły otwarte na możliwość, że te defekty topologiczne nie są zabronione, i że wiele rozszerzeń Modelu Standardowego fizyki wymaga ich istnienia. W wielu scenariuszach, jeśli ich nie ma, to dlatego, że coś dodatkowego musi je tłumić. Brak dowodów nie jest dowodem braku, ale dopóki nie zobaczymy czegoś innego, co wskazywałoby na to, że defekt topologiczny jest prawdziwy we Wszechświecie, musimy pozostawić ten pomysł w sferze spekulacji.
Wyślij swoje pytania do Ethana na adres startswithabang at gmail dot com!
Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.