Den største lektion i Einsteins generelle relativitetsteori er, at rummet i sig selv ikke er en flad, uforanderlig og absolut enhed. Det er vævet sammen med tiden i et stof: rumtid. Dette væv er kontinuerligt, glat og bliver bøjet og deformeret i nærvær af stof og energi. Alt, hvad der findes i denne rumtid, bevæger sig langs en sti, der er bestemt af rumtidens krumning, og dens bevægelse er begrænset af lysets hastighed. Men hvad nu hvis der er defekter i selve stoffet? Dette er ikke science fiction, men en virkelig eksisterende idé inden for teoretisk fysik. Associeret med det er høj-energi relikvier som domæne vægge, kosmiske strenge og monopol. Ethan Siegel fra Medium.com forsøgte at besvare spørgsmålet om, hvad deres oprindelse, egenskaber og hvordan de kommer overens med det normale univers.
At få et defekt univers, som det viste sig, er ikke så svært matematisk.
Jordens tyngdeadfærd i kredsløb skyldes ikke usynlig tyngdekraft, men er bedre beskrevet af Jorden, der frit falder gennem et buet rum i nærværelse af Solen. Selv i dette tilfælde vil rumets krumning være for lille, og der vil ikke være nogen mangler i det.
Prøv at repræsentere rummet så godt du kan. Hvordan ser det ud? Vil det være tomt, glat og for det meste ensartet? Tror du også, at de eneste afvigelser fra denne tilstand vil være forbundet med tilstedeværelsen af masser og kvantiteter af energi? Dette er en god tilgang, som fysikere normalt tager. I stor skala vil rummet være et tredimensionelt gitter, hvor de eneste afvigelser vil være små regioner med rumlig krumning af lille størrelse, hvilket skaber den tyngdekraft, som vi kender godt. Plads i denne konfiguration vil være i mindst mulig energitilstand.
Stoffet af krusninger og vridninger i rumtiden på grund af masse. Så vidt vi ved, foldes rummet aldrig ind i sig selv og foldes aldrig.
Men hvad med ophidsede stater? Eller andre? For at gøre det lettere, lad os trække to rumlige dimensioner og efterlade en: linjen. Linjen kan være lige, åben og uendelig eller lukket som en løkke. I begge tilfælde vil de være linjer i mindst mulig energi. Hvordan ville en tilstand med høj energi være? Forestil dig at tage din linje og hænge den som en streng. Lav nu en knude på snoren, som om du binder snørebånd. En streng uden knude repræsenterer et endimensionelt rum i den laveste energitilstand; en streng med en knude vil repræsentere et endimensionelt rum i den første ophidsede tilstand. Denne knude vil være en 0-dimensionel topologisk defekt.
Nu kan du gøre nogle interessante ting med linjen, der indeholder noden. Du kan binde endnu en knude på samme måde og få to topologiske defekter i stedet for en. Men hvis du binder en knude i den modsatte retning (det vil sige, laver den samme sløjfe, men ellers krydser enderne inden du kaster og strammer), vil denne knude være topologisk modsat den oprindelige knude. Hvis du meget omhyggeligt justerer begge knuder (original og modsat), viser det sig, at de kan løsne hinanden og returnere linjen til en tilstand med lav energi.
Salgsfremmende video:
To typer af disse nuldimensionale effekter - knude og anti-knude - har fysiske analogier i vores univers: magnetiske monopol. Noden svarer til en isoleret magnetisk nordpol; anti-node til den isolerede sydmagnetiske pol. Hvis du kombinerer dem, udslettes de, ligesom stof og antimateriale, og vender rumtidens stof tilbage til en lav energitilstand. Da monopol kun er punktpartikler, vil de opføre sig som almindeligt stof, ikke meget forskelligt fra de elektriske monopol (positive og negative elektriske ladninger), der findes i vores univers.
Begrebet en magnetisk monopol, der udsender linjer i et magnetfelt på samme måde som en isoleret elektrisk ladning vil udsende linjer i et elektrisk felt
Så lad os vende tilbage til vores 3D-univers. Nu kan du forestille dig ikke kun punktfejl, men også højdimensionelle defekter:
- Kosmiske strenge: når en endimensionel linje på en eller anden måde gennemsyrer hele det observerbare univers
- Domæne vægge: når et to-dimensionelt plan med forskellige egenskaber fra den ene side til den anden passerer gennem universet
- Rumteksturer: når et område med tredimensionelt rum er snoet til knuder
Så vi har monopoler (0-dimensionelle), strenge (1-dimensionelle), vægge (2-dimensionelle) og teksturer (3-dimensionelle) - alle mulige fejl, der opstår fra forskellige mekanismer i samme klasse: når symmetri er brudt.
Forskelle mellem universer, en skabt i henhold til standard kosmologi (venstre) og en skabt med et betydeligt netværk af topologiske defekter (højre), giver anledning til en række store strukturer. Vores observationer er nok til at udelukke kosmiske strenge og domænevægge som den dominerende komponent i det moderne univers.
Symmetribrud er en alvorlig sag i fysikken. Hver eksisterende symmetri svarer til en lagret værdi, så hvis symmetrien er brudt, gemmes den værdi ikke længere. Monopol kan produceres ved at bryde sfærisk symmetri; strenge kan produceres ved at bryde vinklet eller cylindrisk symmetri; krænkelse af diskret symmetri kan skabe domæne vægge. Andre mangler er lidt sværere at finde, men de kommer ofte i spil, når det kommer til scenarier med yderligere dimensioner. Men de første tre - især monopol, kosmiske strenge og domænevægge - er af særlig interesse for kosmologi.
Vi ved, at alt ikke er begrænset af standardmodellen, og der er mange udvidelser og tilføjelser, der kan have interessante observerbare konsekvenser. En af dem er ideen om den store forening, når elektromagnetiske, svage og stærke atomkræfter kombineres ved høje energier. Idéen bag foreningen er, at alle tre kræfter i standardmodellen og måske endda tyngdekraft med høj energi kunne kombineres til en enkelt struktur. Dette ville ikke kun føre til fremkomsten af nye partikler og interaktioner, men ville også tillade fremkomsten af magnetiske monopol. Manglen på magnetiske monopoler i det observerbare univers citeres ofte som bevis på kosmisk inflation, og at universet aldrig bliver varmt nok efter afslutningen af inflationen til at gendanne symmetrien i Grand Unification Theories.
Hvis symmetrien, der sikrer den store forening, blev brudt, ville der opstå et kolossalt antal magnetiske monopol. Men de findes ikke i vores univers; hvis kosmisk inflation fandt sted, efter at denne symmetri blev brudt, ville mindst en monopol være i det observerbare univers
Kosmiske strenge og domænevægge kunne vises under faseovergange, hvis de virkelig eksisterede, kort efter inflationens afslutning. Der kan være nogle ekstremt højenergi-symmetrier dannet i tidlige tider, når sådanne brud opstår. Kosmiske strenge og domænevægge - et eller et helt netværk - skulle efterlade en signatur i den store struktur i universet, teksturer ville vises i CMB, og monopoler skulle oprettes gennem direkte eksperimentering. Nogle fysikere peger på den magnetiske monopol, der blev opdaget den 14. februar 1982, som bevis på kosmisk inflation: der var en monopol i det observerbare univers, og vi så det!
I 1982 registrerede et eksperiment ledet af Blas Cabrera, bevæbnet med otte omdrejninger, en ændring i strømmen af otte magnetoner: aflæsninger, der indikerer en magnetisk monopol. Desværre på tidspunktet for opdagelsen var der ingen i nærheden, og ingen var i stand til at gengive resultatet såvel som at finde en anden monopol
Og hvis monopoler opfører sig som stof, vil kosmiske strenge, domænevægge eller kosmologiske strukturer i alvorlig grad påvirke universets udvidelse. Kosmiske strenge vil opføre sig som rumlig krumning, begrænset til ca. 0,4% af den samlede energitæthed, og domænevægge vil skabe en form for mørk energi, der fremskynder udvidelsen af universet så langsomt, at det ikke engang vil blive bemærket. Kosmologiske strukturer vil have den samme effekt som den kosmologiske konstant, men vores observerbare univers bliver nødt til at være begrænset til en enkelt defekt for at forklare vores observationer.
Forskellige komponenter i universets energitæthed, og hvornår de kunne manifestere sig i fuld kraft. Hvis der eksisterede kosmiske strenge eller domænevægge i en hvilken som helst størrelse, ville de alvorligt påvirke udvidelsen af vores univers.
Monopol, strenge, vægge, teksturer og andre defekter skal være supertunge, hvis de eksisterede. Monopoler ville være de mest massive partikler, der nogensinde er opdaget (100 billioner gange mere massive end en topkvark). Strenge, vægge og strukturer ville blive frø til store strukturer, trække materiale sammen og danne andre strukturer, som vi let kan se med moderne teleskoper, undersøgelser og CMB-data. Nuværende begrænsninger fortæller os, at sådanne strukturer ikke findes i overflod, og de vil næppe tegne sig for mere end et par procent af det samlede energibudget for rummet.
Til dato er der intet bevis for, at vores univers er defekt, bortset fra den eneste observation af en magnetisk monopol for 35 år siden. Selvom vi ikke kan tilbagevise deres eksistens (kun grænse), er vi nødt til at holde vores ører på toppen og være forberedt ikke kun på deres mulige detektion, men også på andre tilføjelser til standardmodellen, som ikke er forbudt af fysik. I de fleste tilfælde, hvis de ikke eksisterer, skal der være noget, der undertrykker deres eksistens. Manglende bevis indikerer ikke fraværet af fænomenet. Dog tilgængeligheden også.
Ilya Khel
