Concept greu de înțeles. Dar, datorită relativității generale a lui Einstein, suntem la înălțimea provocării. user JohnsonMartin
Cea mai mare lecție a teoriei generale a relativității a lui Einstein este că spațiul în sine nu este o entitate plată, neschimbătoare și absolută. Mai degrabă este țesut împreună, împreună cu timpul, într-o singură țesătură: spațiu-timp. Această țesătură este continuă, netedă și este curbată și deformată de prezența materiei și a energiei. Tot ceea ce este prezent în acest spațiu-timp se deplasează de-a lungul traiectoriei definite de această curbură, iar propagarea sa este limitată de viteza luminii. Dar ce s-ar întâmpla dacă această țesătură ar avea defecte în ea? Nu este vorba de science-fiction, ci de o idee de bună credință în fizica teoretică, iar întrebarea de săptămâna aceasta adresată lui Ethan de către gaijin, unul dintre susținătorii noștri Patreon:
Subiectul pe care aș dori să îl sugerez sunt relicvele de înaltă energie, cum ar fi pereții de domenii, corzile cosmice, monopoli, etc… ar fi grozav să citim mai multe despre ce sunt cu adevărat aceste defecte, care este originea lor, ce proprietăți au probabil, sau, și aceasta este probabil partea cea mai interesantă pentru mine, cum ne așteptăm ca ele să arate și să interacționeze cu universul „obișnuit”.
Un Univers cu defecte, când vine vorba, este foarte ușor de obținut din punct de vedere matematic.
Soarele nu se datorează unei atracții gravitaționale invizibile, ci este mai bine descrisă prin faptul că Pământul cade liber prin spațiul curbat dominat de Soare. Totuși, chiar și în acest caz, curbura spațiului este încă extrem de mică și nu există defecte în ea. LIGO/T. Pyle
Încercați să vă imaginați spațiul cât de bine puteți. Cum arată acesta? Vi-l imaginați gol, neted și în mare parte uniform? Vă imaginați că singurele abateri de la acestea sunt mici și se datorează prezenței maselor și cuantelor de energie? Aceasta este o abordare destul de bună și este cea pe care o adoptă în mod normal fizicienii. La cele mai mari scări, ne așteptăm să fie ca o grilă tridimensională, în care singurele abateri sunt mici regiuni de curbură spațială de mică magnitudine, care este ceea ce creează forța gravitațională pe care o cunoaștem atât de bine. Spațiul, în această configurație, ar fi în starea de cea mai joasă energie.
și deformări datorate masei. Dar spațiul nu se dublează sau nu se pliază niciodată pe el însuși, din câte știm.
Dar ce se întâmplă cu stările excitate? Cum rămâne cu alte stări? Pentru a ușura lucrurile, să eliminăm două dintre dimensiunile spațiale și să considerăm doar una singură: o linie. Linia poate fi dreaptă, deschisă și infinită, sau poate fi închisă, ca o buclă. Ambele sunt linii în starea de cea mai joasă energie. Cum ar arăta o stare de energie superioară? Imaginați-vă că ați luat linia și ați făcut-o flexibilă, ca o sfoară. Acum imaginați-vă că ați făcut un nod în sfoară: doar o buclă, o încrucișare, o încrucișare și o tragere. O sfoară fără noduri reprezintă un spațiu unidimensional în starea de cea mai joasă energie; o sfoară cu un singur nod în ea reprezintă un spațiu unidimensional în prima stare excitată. Acel nod este un defect topologic 0-dimensional.
defect de-a lungul unei linii 1-D. Un nod cu chiralitate opusă, dacă intră în acest nod, le-ar putea anula pe amândouă, restabilind starea de cea mai joasă energie. Domeniu public /
Acum, puteți face câteva lucruri interesante cu această linie care conține noduri. Puteți lega un alt nod în ea exact în același mod, iar acum veți avea două defecte topologice care se adaugă amândouă. Dar dacă faceți un nod în direcția opusă, adică ați făcut aceeași buclă, dar ați încrucișat capetele în direcția opusă înainte de a strânge și a trage, veți face un nod care este opusul topologic al nodului original. Dacă ați aduce foarte atent atât nodul original cât și acest nou nod, cu noduri opuse, ați descoperi că se pot desface reciproc, aducându-vă din nou în starea de cea mai joasă energie.
Ei bine, aceste două tipuri de defecte zero-dimensionale – nodul și anti-nodul – au analogii fizice în Universul nostru: monopoli magnetici. Un nod corespunde unui pol magnetic nordic izolat; un anti-nod corespunde unui pol magnetic sudic izolat. Dacă unul se întâlnește cu celălalt, aceștia se pot anihila, la fel ca materia și antimateria, readucând țesătura spațiu-timpului la starea sa de cea mai joasă energie. Deoarece sunt doar particule punctiforme, monopolii s-ar comporta ca materia normală, nu foarte diferit de monopolii electrici (sarcini electrice pozitive și negative) pe care îi avem astăzi în Universul nostru.
linii de câmp magnetic în același mod în care o sarcină electrică izolată ar emite linii de câmp electric. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Acum, să ne întoarcem, deci, la Universul nostru tridimensional. Vă puteți imagina nu doar defecte punctiforme, ci și defecte cu dimensiuni mai mari:
- Șiruri cosmice: în cazul în care un fel de linie unidimensională traversează întregul Univers observabil.
- Pereți de domenii: în cazul în care un plan bidimensional, cu proprietăți discontinue de la o parte la alta, traversează Universul.
- Texturi cosmice: în cazul în care o regiune a spațiului tridimensional este înnodată.
Atunci avem defecte de monopoli (0-D), corzi (1-D), pereți (2-D) și texturi (3-D) care sunt posibilități și care apar din mecanisme diferite din aceeași clasă: ori de câte ori o simetrie este ruptă.
conform cosmologiei standard (L) și unul cu o rețea semnificativă de defecte topologice (R) dau structuri la scară largă extrem de diferite. Avem observații suficient de bune pentru a exclude corzile cosmice și pereții de domenii ca fiind o componentă dominantă a Universului modern. Andrey Kravtsov (simulare cosmologică, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulare într-un Univers cu corzi cosmice, R)
Ruptura de simetrie este un lucru important în fizică. Fiecare simetrie care există corespunde unei mărimi conservate și, prin urmare, dacă o simetrie este ruptă, acea mărime nu mai este conservată. Puteți produce monopoli prin ruperea unei simetrii sferice; puteți produce corzi prin ruperea unei simetrii axiale sau cilindrice; ruperea unei simetrii discrete (cum ar fi paritatea sau reflecția în oglindă) poate crea pereți de domeniu. Alte defecte sunt un pic mai greu de intuit, dar intră adesea în joc atunci când aveți de-a face cu scenarii extradimensionale. Dar aceste prime trei în special – monopoli, corzi cosmice și pereți de domenii – prezintă un interes deosebit pentru cosmologie.
forțele Modelului Standard, și poate chiar și gravitația la energii mai mari, sunt unificate împreună într-un singur cadru. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Știm că Modelul Standard nu poate fi tot ceea ce există și că există multe extensii care ar putea avea consecințe observabile fascinante. Una dintre ele este ideea Marii Unificări, în care forțele electromagnetică, slabă și nucleară puternică se unifică toate la o anumită energie ridicată. Acest lucru ar avea ca rezultat nu numai prezența unor noi particule și a unor noi interacțiuni, dar atunci când simetria care menține forța puternică împreună cu celelalte două forțe se va rupe, ar trebui să se producă monopoli magnetici. Lipsa monopolilor magnetici în Universul nostru observabil este adesea citată ca dovadă a inflației cosmice și ca o dovadă în plus că Universul nu se încălzește niciodată suficient de mult după ce inflația se termină pentru a restabili simetria marilor teorii unificate.
rupt, s-ar produce un număr mare de monopoli magnetici. Dar Universul nostru nu le prezintă; dacă inflația cosmică ar avea loc după ce această simetrie ar fi ruptă, cel mult un monopol ar fi încă prezent în cadrul Universului observabil. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Corzile cosmice și pereții de domenii ar fi produse în tranzițiile de fază, dacă ele există, la scurt timp după sfârșitul inflației. Este posibil să existe simetrii suplimentare de înaltă energie care se restabilesc în momentele timpurii, iar când acestea sunt rupte, aceste defecte pot fi create. Atât corzile cosmice, cât și pereții de domenii – fie unul singur, fie o rețea a acestora – ar lăsa o semnătură în structura la scară largă a Universului, în timp ce texturile ar apărea în CMB, iar monopolii ar apărea în experimentele de detecție directă. Unii fizicieni, în mod ironic, indică monopolul magnetic unic descoperit de Ziua Îndrăgostiților în 1982 ca dovadă a inflației cosmice: există un singur monopol în întregul Univers observabil, iar noi l-am văzut!
conducerea lui Blas Cabrera, unul cu opt spire de fir, a detectat o schimbare de flux de opt magnetoni: indicii ale unui monopol magnetic. Din păcate, nimeni nu a fost prezent în momentul detectării și nimeni nu a mai reprodus acest rezultat sau nu a găsit un al doilea monopol. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
În timp ce monopolii ar acționa ca materia, un Univers cu corzi cosmice, pereți de domenii sau texturi cosmologice ar afecta expansiunea Universului într-un mod major. Șirurile cosmice s-ar comporta ca o curbură spațială, ceva constrâns să fie mai mic de aproximativ 0,4% din densitatea totală de energie, în timp ce pereții de domeniu ar crea o formă de energie întunecată care accelerează Universul prea încet pentru a explica ceea ce observăm. O textură cosmologică ar avea aceleași efecte ca și o constantă cosmologică, dar întregul nostru Univers observabil ar trebui să fie conținut într-un singur defect pentru a explica observațiile noastre!
Densitatea de energie a Universului și când ar putea să domine. Dacă ar exista corzi cosmice sau pereți de domenii în cantități apreciabile, acestea ar contribui semnificativ la expansiunea Universului. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopolele, corzile, pereții, texturile și orice alte defecte ar trebui să fie ultra-încărcate dacă există. Monopolii ar trebui să fie cele mai masive particule descoperite vreodată, dacă sunt reale, de aproximativ un factor de 100 de trilioane (1014) de ori mai masive decât quarcul top. Corzile, pereții și texturile ar trebui să acționeze ca semințe ale structurii la scară largă, atrăgând materia în ele înainte de a se forma orice alte structuri și creând semnături care ar trebui să fie foarte clare, având în vedere puterea telescoapelor actuale, a sondajelor și a datelor CMB. Constrângerile moderne ne spun că aceste structuri nu există în mare abundență și nu pot reprezenta mai mult de câteva procente din bugetul total de energie cosmică.
de fluctuații din cadrul acestuia, indică o invarianță de scară, în timp ce o rețea de corzi cosmice ar fi prezentat o creștere foarte abruptă în partea cea mai din stânga a graficului. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
Până în prezent, nu există nici o dovadă că Universul nostru ar fi defectuos, cu excepția acelei singure observații a unui monopol magnetic de acum vreo 35 de ani. Deși nu le putem infirma existența (o putem doar constrânge), trebuie să ne păstrăm mintea deschisă la posibilitatea ca aceste defecte topologice să nu fie interzise și ca multe extensii ale modelului standard al fizicii să le facă necesare. În multe scenarii, dacă ele nu există, este pentru că ceva suplimentar trebuie să le suprime. Absența dovezilor nu este o dovadă a absenței, dar până când nu vedem altceva care să indice că un defect topologic este real în Univers, trebuie să lăsăm această idee pe tărâmul speculațiilor.
Trimiteți întrebările dumneavoastră Ask Ethan la startswithabang at gmail dot com!
Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.