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conceito para entender. Mas, graças à relatividade geral de Einstein, estamos à altura do desafio. utilizador JohnsonMartin

A maior lição da teoria geral da relatividade de Einstein é que o espaço em si não é uma entidade plana, imutável, absoluta. Ao contrário, ele é tecido junto, junto com o tempo, em um único tecido: o espaço-tempo. Este tecido é contínuo, liso, e fica curvo e deformado pela presença de matéria e energia. Tudo o que está presente neste espaço-tempo se move ao longo do caminho definido por essa curvatura, e sua propagação é limitada pela velocidade da luz. Mas e se esse tecido tivesse defeitos nele? Isto não é ficção científica, mas uma idéia de boa-fé em física teórica, e a pergunta desta semana do Ethan Ask Ethan de gaijin, um dos nossos apoiantes do Patreon:

O tópico que eu gostaria de sugerir é relíquias de alta energia, como paredes de domínio, cordas cósmicas, monopolos, etc… seria ótimo ler mais sobre o que esses defeitos realmente são, qual é a sua origem, que propriedades eles provavelmente têm, ou, e esta é provavelmente a parte mais excitante para mim, como nós esperamos que eles se pareçam e interajam com o universo ‘comum’.

Um Universo defeituoso, quando se trata dele, é matematicamente muito fácil de obter.

O Sol não é devido a uma atração gravitacional invisível, mas é melhor descrito pela Terra caindo livremente através do espaço curvado dominado pelo Sol. Mesmo neste caso, porém, a curvatura do espaço ainda é extremamente pequena, e não há defeitos nele. LIGO/T. Pyle

Tente e imagine o espaço o melhor que puder. Como é que é? Está a imaginá-lo vazio, suave e, na sua maioria, uniforme? Você está imaginando que as únicas saídas são pequenas e devido à presença de massas e quanta de energia? Essa é uma abordagem bastante boa, e a que os físicos normalmente fazem. Nas escalas maiores, esperamos que seja como uma grade tridimensional, onde os únicos desvios são pequenas regiões de baixa magnitude de curvatura espacial, que é o que cria a força gravitacional que conhecemos tão bem. O espaço, nesta configuração, estaria no estado de menor energia.

e deformações devidas à massa. Mas o espaço nunca dobra para trás ou se dobra sobre si mesmo, tanto quanto sabemos.

Mas e os estados excitados? E quanto a outros estados? Para facilitar, vamos tirar dois da dimensão espacial e considerar apenas um: uma linha. A linha pode ser reta, aberta e infinita, ou pode ser fechada, como um loop. Ambas são linhas no estado mais baixo de energia. Como seria um estado de energia mais alta? Imagine que você pegou a sua linha e a fez frouxa, como um fio. Agora imagine que você deu um nó no cordel: apenas um laço, cruzado, cruzado e puxado. Uma corda sem nó representa um espaço unidimensional no estado de menor energia; uma corda com um único nó representa um espaço unidimensional no primeiro estado excitado. Esse nó é um defeito topológico 0-dimensional.

defeito ao longo de uma linha 1-D. Um nó com a quiralidade oposta, se entrar neste nó, pode desfazer os dois, restaurando o estado de energia mais baixa. Domínio Público /

Agora, você pode fazer algumas coisas interessantes com essa linha contendo o nó. Você pode dar outro nó exatamente da mesma maneira, e agora você terá dois defeitos topológicos que ambos adicionam. Mas se você der um nó na direção oposta, ou seja, você fez o mesmo laço, mas cruzou as pontas da forma oposta antes de dar e puxar, você faz um nó que é o oposto topológico do nó original. Se você trouxesse com muito cuidado tanto o nó original quanto este novo nó, com o oposto, você descobriria que eles poderiam se desfazer um do outro, trazendo você de volta ao estado de menor energia novamente.

Bem, esses dois tipos de defeitos zero-dimensionais – o nó e o anti- nó – têm analogias físicas em nosso Universo: monopolos magnéticos. Um nó corresponde a um Pólo Magnético Norte isolado; um anti- nó corresponde a um Pólo Magnético Sul isolado. Se um se cruzar com o outro, eles podem aniquilar, tal como a matéria e a antimatéria, e devolver o tecido do espaço-tempo ao seu estado mais baixo de energia. Porque são apenas partículas pontuais, os monopolos comportar-se-iam como matéria normal, não muito diferente dos monopolos eléctricos (cargas eléctricas positivas e negativas) que temos hoje no nosso Universo.

linhas de campo magnético da mesma forma que uma carga eléctrica isolada emitiria linhas de campo eléctrico. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116

Então vamos voltar, agora, ao nosso Universo tridimensional. Você pode imaginar não apenas defeitos pontuais, mas também defeitos dimensionais mais elevados:

1. Cordas Cósmicas: onde uma linha unidimensional de algum tipo percorre todo o Universo observável.
2. Paredes de Domínio: onde um plano bidimensional, com propriedades descontínuas de um lado para o outro, percorre todo o Universo.
3. Texturas Cósmicas: onde uma região do espaço tridimensional é atada.

Então temos monopolo (0-D), cordel (1-D), parede (2-D), e defeitos de textura (3-D) que são possibilidades, e eles surgem de diferentes mecanismos da mesma classe: sempre que uma simetria é quebrada.

de acordo com a cosmologia padrão (L) e uma com uma rede significativa de defeitos topológicos (R) dão estruturas de grande escala vastamente diferentes. Temos observações suficientemente boas para excluir as cadeias cósmicas e as paredes de domínio como sendo uma componente dominante do Universo moderno. Andrey Kravtsov (simulação cosmológica, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulação em um Universo de cordas cósmicas, R)

Quebra de simetria é uma grande coisa em física. Toda simetria que existe corresponde a uma quantidade conservada, e assim se uma simetria é quebrada, essa quantidade não é mais conservada. Você pode produzir monopolos quebrando uma simetria esférica; você pode produzir cordas quebrando uma simetria axial ou cilíndrica; quebrar uma simetria discreta (como paridade, ou reflexão de imagem-espelho) pode criar paredes de domínio. Outros defeitos são um pouco mais difíceis de intuir, mas muitas vezes entram em jogo quando você lida com cenários extra-dimensionais. Mas aqueles três primeiros em particular – monopolos, cordas cósmicas e paredes de domínio – são de particular interesse para a cosmologia.

As forças do Modelo Padrão, e talvez mesmo a gravidade em energias mais elevadas, estão unificadas num único quadro. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com

Sabemos que o Modelo Padrão não pode ser tudo o que existe, e há muitas extensões que podem ter consequências observáveis fascinantes. Uma é a idéia de Grande Unificação, onde as forças eletromagnéticas, fracas e fortes nucleares se unificam em alguma energia alta. Isso não só resultaria na presença de novas partículas e novas interações, mas quando a simetria mantém a força forte junto com as outras duas quebras, monopolos magnéticos devem ser produzidos. A falta de monopolos magnéticos no nosso Universo observável é frequentemente citada como evidência para a inflação cósmica, e para mais evidências de que o Universo nunca aquece o suficiente após a inflação terminar para restaurar a simetria das Grandes Teorias Unificadas.

quebrado, um grande número de monopolos magnéticos seria produzido. Mas o nosso Universo não os exibe; se a inflação cósmica ocorresse após a quebra desta simetria, no máximo um monopolo ainda estaria presente dentro do Universo observável. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Cosmic strings and domain walls would be produced in phase transitions, if they exist, soon after the end of inflation. Pode haver simetrias extra de alta energia que são restauradas em tempos iniciais, e quando elas são quebradas, estes defeitos podem ser criados. Tanto as cordas cósmicas como as paredes de domínio – seja uma única ou uma rede delas – deixariam uma assinatura na estrutura em grande escala do Universo, enquanto texturas apareceriam na CMB e monopolos apareceriam em experimentos de detecção direta. Alguns físicos, de cara de língua, apontam o monopolo magnético descoberto no dia dos namorados em 1982 como evidência de inflação cósmica: existe apenas um monopolo em todo o Universo observável, e nós vimo-lo!

liderança de Blas Cabrera, um com oito voltas de fio, detectou uma mudança de fluxo de oito magnetons: indicações de um monopolo magnético. Infelizmente, ninguém estava presente no momento da detecção, e ninguém jamais reproduziu este resultado ou encontrou um segundo monopolo. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381

While monopoles would act like matter, a Universe with cosmic strings, domain walls, or cosmological textures would affect the expansion of the Universe in a major fashion. As cordas cósmicas comportar-se-iam como uma curvatura espacial, algo limitado a ser menos de cerca de 0,4% da densidade total de energia, enquanto as paredes de domínio criariam uma forma de energia escura que acelera o Universo demasiado lentamente para dar conta do que observamos. Uma textura cosmológica teria os mesmos efeitos que uma constante cosmológica, mas todo o nosso Universo observável teria de estar contido num único defeito para explicar as nossas observações!

Densidade energética do Universo, e quando elas poderiam dominar. Se existissem cordas cósmicas ou paredes de domínio em qualquer quantidade apreciável, elas contribuiriam significativamente para a expansão do Universo. E. Siegel / Beyond The Galaxy

Monopolo, cordas, paredes, texturas, e quaisquer outros defeitos devem ser ultra-pesados se eles existirem. Monopolos devem ser as partículas mais maciças já descobertas, se reais, aproximadamente um fator de 100 trilhões (1014) vezes mais maciças do que o quark superior. Cordas, paredes e texturas devem agir como sementes da estrutura em grande escala, puxando matéria para dentro dela antes de qualquer outra estrutura se formar, e criando assinaturas que devem ser muito claras, dado o poder dos telescópios, levantamentos e dados CMB de hoje. Restrições modernas nos dizem que estas estruturas não existem em grande abundância, e não podem ser mais do que alguns por cento do orçamento total de energia cósmica.

Como de hoje, não há evidência de que o nosso Universo seja defeituoso, a não ser por aquela observação de um monopolo magnético há cerca de 35 anos atrás. Embora não possamos refutar a sua existência (apenas a podemos restringir), temos de manter a nossa mente aberta à possibilidade de que estes defeitos topológicos não sejam proibidos, e que muitas extensões ao Modelo Padrão da Física os necessitem. Em muitos cenários, se eles não existem, é porque algo adicional deve estar suprimindo-os. A ausência de evidência não é evidência de ausência, mas até vermos algo mais que aponte para um defeito topológico ser real no Universo, temos de deixar esta ideia no reino da especulação.

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