Einsteins största lektion i allmän relativitet är att rymden i sig inte är platt, oföränderlig och absolut. Det vävs samman med tiden i ett tyg: rymdtid. Denna vävnad är kontinuerlig, slät och blir böjd och deformerad i närvaro av materia och energi. Allt som existerar i denna rymdtid rör sig längs en väg som bestäms av rymdtidens krökning, och dess rörelse begränsas av ljusets hastighet. Men tänk om det finns defekter i själva tyget? Detta är inte science fiction, utan en riktigt befintlig idé inom teoretisk fysik. Förknippade med det är högenergireliker som domänväggar, kosmiska strängar och monopol. Ethan Siegel från Medium.com försökte svara på frågan om deras ursprung, egenskaper och hur de kommer överens med det normala universum.
Det visade sig att matematik inte är så svårt att få ett defekt universum.
Jordens gravitationsbeteende i omlopp beror inte på osynlig gravitation, utan beskrivs bättre av att jorden fritt faller genom krökt utrymme i närvaro av solen. Även i det här fallet kommer rymdens krökning att vara för liten och inga defekter kommer att finnas.
Försök att representera utrymmet så bra du kan. Vad ser det ut som? Kommer den att vara tom, smidig och mestadels enhetlig? Tror du också att de enda avvikelserna från detta tillstånd kommer att associeras med närvaron av massor och kvantiteter energi? Detta är ett bra tillvägagångssätt som fysiker vanligtvis tar. I stor skala kommer rymden att vara ett tredimensionellt rutnät, där de enda avvikelserna kommer att vara små regioner med rumslig krökning av liten storlek, vilket skapar den gravitationskraft som vi känner väl. Utrymmet i denna konfiguration kommer att vara i lägsta möjliga energi.
Tyg av rymdtidens krusningar och varv på grund av massa. Så vitt vi vet fälls rymden aldrig in i sig själv och viks aldrig.
Men hur är det med glada tillstånd? Eller andra? För att göra det enklare, låt oss subtrahera två rumsliga dimensioner och lämna en: raden. Linjen kan vara rak, öppen och oändlig eller stängd, som en slinga. I båda fallen kommer de att vara linjer i ett tillstånd med minst energi. Hur skulle ett tillstånd med hög energi vara? Tänk dig att ta din linje och hänga den som en sträng. Gör nu en knut på strängen, som om du band snören. En sträng utan knut representerar ett endimensionellt utrymme i lägsta energitillståndet; en sträng med en knut representerar ett endimensionellt utrymme i det första upphetsade tillståndet. Denna nod kommer att vara en 0-dimensionell topologisk defekt.
Nu kan du göra några intressanta saker med raden som innehåller noden. Du kan knyta en annan knut på samma sätt och få två topologiska defekter istället för en. Men om du knyter knuten i motsatt riktning (det vill säga gör samma slinga men annars korsar ändarna innan du slänger och drar åt den) kommer denna knut att vara topologiskt motsatt den ursprungliga knuten. Om du mycket noggrant riktar in båda knutarna (original och motsatt) visar det sig att de kan lossa varandra och återställa linjen till ett tillstånd med låg energi.
Kampanjvideo:
Två typer av dessa nolldimensionella effekter - knut och anti-knut - har fysiska analogier i vårt universum: magnetiska monopol. Noden motsvarar en isolerad magnetisk nordpol; anti-nod till den isolerade södra magnetiska polen. Om du kombinerar dem förintar de, som materia och antimateria, och återför tidens väv till ett lågt energitillstånd. Eftersom monopoler bara är punktpartiklar, kommer de att bete sig som vanligt material, inte mycket annorlunda än de elektriska monopoler (positiva och negativa elektriska laddningar) som finns i vårt universum.
Begreppet en magnetisk monopol som avger magnetiska fältlinjer på samma sätt som en isolerad elektrisk laddning skulle avge elektriska fältlinjer
Så låt oss komma tillbaka till vårt 3D-universum. Nu kan du föreställa dig inte bara att hitta fel, utan också högdimensionella defekter:
- Kosmiska strängar: när en endimensionell linje på något sätt genomsyrar hela det observerbara universum
- Domänväggar: när ett tvådimensionellt plan med olika egenskaper från ena sidan till den andra passerar genom universum
- Rymdstrukturer: när ett område med tredimensionellt utrymme vrids till knutar
Så vi har monopol (0-dimensionellt), strängar (1-dimensionellt), väggar (2-dimensionellt) och texturer (3-dimensionellt) - alla typer av fel som uppstår från olika mekanismer i samma klass: när symmetri bryts.
Skillnaderna mellan universum, en skapad enligt standardkosmologi (vänster) och en skapad med ett betydande nätverk av topologiska defekter (höger), producerar en mängd stora strukturer. Våra observationer är tillräckliga för att utesluta kosmiska strängar och domänväggar som den dominerande komponenten i det moderna universum.
Symmetribrytning är en allvarlig fråga i fysik. Varje befintlig symmetri motsvarar ett lagrat värde, så om symmetrin bryts, sparas det värdet inte längre. Monopoler kan produceras genom att bryta sfärisk symmetri; strängar kan produceras genom att bryta vinklad eller cylindrisk symmetri; brott mot diskret symmetri kan skapa domänväggar. Andra brister är lite svårare att hitta, men de spelar ofta in när det gäller extra dimensionsscenarier. Men de tre första - i synnerhet monopol, kosmiska strängar och domänväggar - är av särskilt intresse för kosmologin.
Vi vet att allt inte är begränsat till standardmodellen och det finns många tillägg och tillägg som kan få intressanta observerbara konsekvenser. En av dem är tanken på Grand Unification, när elektromagnetiska, svaga och starka kärnkrafter kombineras vid höga energier. Tanken bakom föreningen är att alla tre krafter i standardmodellen, och kanske till och med gravitation vid höga energier, kunde kombineras till en enda struktur. Detta skulle inte bara leda till uppkomsten av nya partiklar och interaktioner utan skulle också möjliggöra framväxten av magnetiska monopol. Bristen på magnetiska monopoler i det observerbara universum citeras ofta som ett bevis på kosmisk inflation och att universum aldrig kommer att bli tillräckligt varmt efter inflationens slut för att återställa symmetrin i Grand Unification Theories.
Om symmetrin som säkerställer Grand Unification bröts skulle ett kolossalt antal magnetiska monopol uppträda. Men de finns inte i vårt universum; om kosmisk inflation inträffade efter att denna symmetri bröts, skulle åtminstone en monopol behöva förbli inom det observerbara universum
Kosmiska strängar och domänväggar kan dyka upp under fasövergångar, om de verkligen existerade, strax efter inflationens slut. Det kan finnas några extremt höga energisymmetrier som bildas i tidiga tider, när sådana brister uppträder. Kosmiska strängar och domänväggar - ett eller ett helt nätverk - skulle behöva lämna en signatur i universums storskaliga struktur, texturer skulle visas i CMB och monopol måste skapas genom direkta experiment. Vissa fysiker pekar på den magnetiska monopol som upptäcktes den 14 februari 1982 som bevis på kosmisk inflation: det fanns en monopol i det observerbara universum, och vi såg det!
1982 registrerade ett experiment som leds av Blas Cabrera, beväpnat med åtta varv av tråd, en förändring i flödet av åtta magnetoner: avläsningar som indikerar en magnetisk monopol. Tyvärr, vid tidpunkten för upptäckten var ingen i närheten och ingen kunde reproducera resultatet, liksom hitta en annan monopol
Och om monopolet beter sig som materia, kommer kosmiska strängar, domänväggar eller kosmologiska strukturer allvarligt att påverka universums expansion. Kosmiska strängar kommer att bete sig som rumslig krökning, begränsade till cirka 0,4% av den totala energitätheten, och domänväggar kommer att skapa en form av mörk energi som påskyndar universums expansion så långsamt att det inte ens märks. Kosmologiska strukturer kommer att ha samma effekt som den kosmologiska konstanten, men vårt observerbara universum måste begränsas till en enda defekt för att förklara våra observationer.
Olika komponenter i universums energitäthet och när de kunde manifestera sig i full kraft. Om kosmiska strängar eller domänväggar fanns i någon mängd skulle de allvarligt påverka vårt universums expansion.
Monopoler, strängar, väggar, texturer och andra defekter bör vara supertunga om de fanns. Monopoler skulle vara de mest massiva partiklar som någonsin upptäckts (100 biljoner gånger mer massiva än en toppkvark). Strängar, väggar och texturer skulle bli frön för storskaliga strukturer, dra samman material och bilda andra strukturer som vi lätt kan se med moderna teleskop, undersökningar och CMB-data. Nuvarande begränsningar talar om för oss att sådana strukturer inte finns i överflöd, och att de knappast skulle stå för mer än några få procent av den totala energibudget i rymden.
Hittills finns det inga bevis för att vårt universum är defekt, förutom den enda observationen av en magnetisk monopol för 35 år sedan. Även om vi inte kan motbevisa deras existens (endast begränsning), måste vi hålla öronen på topp och vara beredda inte bara för deras möjliga upptäckt utan också för alla andra tillägg till standardmodellen som inte är förbjudna av fysik. I de flesta fall, om de inte finns, måste det finnas något som undertrycker deras existens. Brist på bevis tyder inte på att det inte finns något fenomen. Men om tillgängligheten också.
Ilya Khel