begrepp att förstå. Men tack vare Einsteins allmänna relativitetsteori klarar vi av utmaningen. user JohnsonMartin
Den största lärdomen från Einsteins allmänna relativitetsteori är att rymden i sig inte är en platt, oföränderlig, absolut enhet. Den är snarare sammanvävd, tillsammans med tiden, till en enda väv: rymdtid. Denna väv är kontinuerlig, jämn och blir krökt och deformerad av närvaron av materia och energi. Allt som finns i denna rymdtid rör sig längs den väg som definieras av denna krökning, och dess utbredning begränsas av ljusets hastighet. Men vad händer om detta tyg har defekter? Det här är inte science fiction, utan en verklig idé inom teoretisk fysik, och veckans fråga till Ethan från gaijin, en av våra Patreon-understödjare:
Det ämne jag skulle vilja föreslå är högenergirelikter, som domänväggar, kosmiska strängar, monopoler osv… Det skulle vara fantastiskt att läsa mer om vad dessa defekter egentligen är, vad de har för ursprung, vilka egenskaper de troligen har, eller, och detta är förmodligen den mest spännande delen för mig, hur vi förväntar oss att de ska se ut och interagera med det ”vanliga” universum.
Ett defekt universum är, när det kommer till kritan, matematiskt mycket lätt att få.
Solen beror inte på en osynlig gravitationell dragningskraft, utan beskrivs bättre genom att jorden faller fritt genom en krökt rymd som domineras av solen. Även i detta fall är dock rymdens krökning fortfarande extremt liten, och det finns inga defekter i den. LIGO/T. Pyle
Försök att föreställa dig rymden så gott du kan. Hur ser det ut? Föreställer du dig det tomt, slätt och mestadels enhetligt? Föreställer du dig att de enda avvikelserna från detta är små och beror på förekomsten av massor och energikvanter? Det är ett ganska bra tillvägagångssätt, och det är det som fysiker vanligtvis använder. På de största skalorna förväntar vi oss att det ska vara som ett tredimensionellt rutnät, där de enda avvikelserna är små områden med rumslig krökning av låg magnitud, vilket är det som skapar den gravitationskraft som vi känner till så väl. Rymden skulle i denna konfiguration befinna sig i det lägsta energitillståndet.
och deformationer på grund av massa. Men rymden dubblerar eller viker sig aldrig på sig själv, såvitt vi vet.
Men hur är det med exciterade tillstånd? Hur är det med andra tillstånd? För att göra det enkelt tar vi bort två av de rumsliga dimensionerna och betraktar bara en: en linje. Linjen kan vara rak, öppen och oändlig, eller så kan den vara sluten, som en slinga. Båda dessa är linjer i det lägsta energitillståndet. Hur skulle ett tillstånd med högre energi se ut? Föreställ dig att du tog din linje och gjorde den slapp, som ett snöre. Föreställ dig nu att du knyter en knut i snöret: bara en slinga, kors och tvärs, dra och dra. Ett snöre utan knut representerar ett endimensionellt rum i det lägsta energitillståndet; ett snöre med en enda knut i representerar ett endimensionellt rum i det första exciterade tillståndet. Den knuten är en 0-dimensionell topologisk defekt.
defekt längs en 1-D-linje. En knut med motsatt kiralitet kan, om den går in i denna knut, upphäva dem båda och återställa tillståndet med den lägsta energin. Public Domain /
Nu kan man göra en del intressanta saker med den linje som innehåller en knut. Du kan knyta en annan knut i den på exakt samma sätt, och nu har du två topologiska defekter som båda adderas. Men om du knyter en knut i motsatt riktning, dvs. du har gjort samma slinga, men korsat ändarna på motsatt sätt innan du stoppar och drar, gör du en knut som är den topologiska motsatsen till den ursprungliga knuten. Om du mycket försiktigt förde samman både den ursprungliga knuten och denna nya, motsatt knut, skulle du upptäcka att de kan upphäva varandra och föra dig tillbaka till det lägsta energitillståndet igen.
Nja, dessa två typer av nolldimensionella defekter – knuten och antiknuten – har fysiska analogier i vårt universum: magnetiska monopoler. En knut motsvarar en isolerad nordmagnetisk pol; en antiknut motsvarar en isolerad sydmagnetisk pol. Om den ena knuten hamnar i den andra kan de förintas, precis som materia och antimateria, och återföra rymdtiden till sitt lägsta energitillstånd. Eftersom de bara är punktliknande partiklar skulle monopoler bete sig som vanlig materia, inte mycket annorlunda än de elektriska monopoler (positiva och negativa elektriska laddningar) som vi har i vårt universum idag.
magnetiska fältlinjer på samma sätt som en isolerad elektrisk laddning skulle avge elektriska fältlinjer. BPS States in Omega Background and Integrability – Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Så låt oss nu komma tillbaka till vårt tredimensionella universum. Man kan föreställa sig inte bara punktliknande defekter, utan även defekter i högre dimensioner:
- Kosmiska strängar: där en endimensionell linje av något slag löper genom hela det observerbara universum.
- Domänväggar: där ett tvådimensionellt plan, med diskontinuerliga egenskaper från den ena sidan till den andra, löper genom universum.
- Kosmiska texturer: där en region av det tredimensionella rummet blir knuten.
Så har vi monopole (0-D), strängar (1-D), väggar (2-D) och texturfel (3-D) som är möjligheter, och de uppstår genom olika mekanismer av samma klass: närhelst en symmetri bryts.
enligt standardkosmologin (L) och ett med ett betydande nätverk av topologiska defekter (R) ger enormt olika storskaliga strukturer. Vi har tillräckligt bra observationer för att utesluta att kosmiska strängar och domänväggar är en dominerande komponent i det moderna universum. Andrey Kravtsov (kosmologisk simulering, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulering i ett universum med kosmiska strängar, R)
Symmetribrott är en stor sak inom fysiken. Varje symmetri som finns motsvarar en bevarad kvantitet, och om en symmetri bryts är den kvantiteten alltså inte längre bevarad. Man kan skapa monopoler genom att bryta en sfärisk symmetri; man kan skapa strängar genom att bryta en axial eller cylindrisk symmetri; om man bryter en diskret symmetri (som paritet eller spegelbildsreflektion) kan man skapa domänväggar. Andra defekter är lite svårare att förstå, men kommer ofta in i bilden när man har att göra med extradimensionella scenarier. Men de tre första i synnerhet – monopoler, kosmiska strängar och domänväggar – är av särskilt intresse för kosmologin.
standardmodellens krafter, och kanske till och med gravitationen vid högre energier, förenas tillsammans i ett enda ramverk. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Vi vet att standardmodellen inte kan vara allt som finns, och det finns många utvidgningar som skulle kunna få fascinerande observerbara konsekvenser. En är idén om Grand Unification, där de elektromagnetiska, svaga och starka kärnkrafterna alla förenas vid någon hög energi. Detta skulle inte bara resultera i nya partiklar och nya interaktioner, utan när symmetrin som håller ihop den starka kraften med de två andra bryts borde magnetiska monopoler uppstå. Bristen på magnetiska monopoler i vårt observerbara universum anförs ofta som bevis för kosmisk inflation, och som ytterligare bevis för att universum aldrig blir tillräckligt varmt efter det att inflationen upphör för att återställa symmetrin i de stora enhetliga teorierna.
bruten skulle ett stort antal magnetiska monopoler produceras. Men vårt universum uppvisar inga sådana; om den kosmiska inflationen ägde rum efter det att denna symmetri hade brutits, skulle högst en monopol finnas kvar i det observerbara universum. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Kosmiska strängar och domänväggar skulle produceras i fasövergångar, om de existerar, strax efter inflationens slut. Det kan finnas extra högenergisymmetrier som återställs vid tidiga tidpunkter, och när de bryts kan dessa defekter skapas. Både kosmiska strängar och domänväggar – antingen en enda eller ett nätverk av dem – skulle lämna en signatur i universums storskaliga struktur, medan texturer skulle synas i CMB och monopoler skulle synas i direkta detektionsexperiment. Vissa fysiker pekar på den enda magnetiska monopolen som upptäcktes på Alla hjärtans dag 1982 som bevis för kosmisk inflation: det finns bara en monopole i hela det observerbara universum, och vi såg den!
under ledning av Blas Cabrera, en med åtta vändningar av tråd, upptäckte en flödesförändring på åtta magnetoner: indikationer på en magnetisk monopole. Tyvärr var ingen närvarande vid tidpunkten för upptäckten, och ingen har någonsin reproducerat detta resultat eller hittat en andra monopole. Cabrera B. (1982). First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Men även om monopoler skulle agera som materia skulle ett universum med kosmiska strängar, domänväggar eller kosmologiska texturer påverka universums expansion på ett betydande sätt. Kosmiska strängar skulle bete sig som rumslig krökning, något som måste vara mindre än cirka 0,4 % av den totala energitätheten, medan domänväggar skulle skapa en form av mörk energi som accelererar universum för långsamt för att förklara vad vi observerar. En kosmologisk textur skulle ha samma effekter som en kosmologisk konstant, men hela vårt observerbara universum skulle behöva finnas inom en enda defekt för att förklara våra observationer!
Universums energitäthet, och när de kan dominera. Om kosmiska strängar eller domänväggar fanns i någon märkbar mängd skulle de bidra avsevärt till universums expansion. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Monopoler, strängar, väggar, texturer och alla andra defekter borde vara ultratunga om de existerar. Monopoler bör vara de mest massiva partiklar som någonsin upptäckts, om de finns, ungefär en faktor 100 triljoner (1014) gånger så massiv som toppkvarken. Strängar, väggar och texturer bör fungera som frön till storskalig struktur, dra in materia i den innan andra strukturer bildas och skapa signaturer som bör vara mycket tydliga, med tanke på kraften hos dagens teleskop, undersökningar och CMB-data. Moderna begränsningar säger oss att dessa strukturer inte existerar i någon större mängd och att de inte kan utgöra mer än några få procent av den totala kosmiska energibudgeten.
av fluktuationer inom den, pekar på skalinvarians, medan ett nätverk av kosmiska strängar skulle ha uppvisat en mycket brant ökning på den vänstra sidan av grafen. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
I dagsläget finns det inga bevis för att vårt universum är defekt, förutom den enda observationen av en magnetisk monopol för cirka 35 år sedan. Även om vi inte kan motbevisa deras existens (vi kan bara begränsa den) måste vi hålla våra sinnen öppna för möjligheten att dessa topologiska defekter inte är förbjudna och att många utvidgningar av fysikens standardmodell kräver dem. I många scenarier är det så att om de inte existerar så beror det på att något ytterligare måste undertrycka dem. Avsaknad av bevis är inte bevis för avsaknad, men tills vi ser något annat som pekar på att en topologisk defekt är verklig i universum, måste vi lämna den här idén inom området för spekulationer.
Skicka in dina Ask Ethan frågor till startswithabang at gmail dot com!
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.