Cea mai mare lecție a lui Einstein în relativitatea generală este că spațiul în sine nu este plat, neschimbat și absolut. Este țesut împreună cu timpul într-o singură țesătură: spațiu-timp. Acest țesut este continuu, neted și devine îndoit și deformat în prezența materiei și a energiei. Tot ceea ce există în acest spațiu-timp se mișcă de-a lungul unei căi determinate de curbura spațiului-timp, iar mișcarea acestuia este limitată de viteza luminii. Dar dacă există defecte în țesătura însăși? Aceasta nu este science fiction, ci o idee cu adevărat existentă în fizica teoretică. Asociate cu aceasta sunt relicve cu energie mare, cum ar fi pereții domeniului, corzile cosmice și monopolurile. Ethan Siegel de la Medium.com a încercat să răspundă la întrebarea care este originea, proprietățile și cum se vor înțelege cu universul normal.
S-a dovedit că obținerea unui Univers defect nu este atât de dificil din punct de vedere matematic.
Comportamentul gravitațional al Pământului pe orbită nu se datorează gravitației gravitaționale invizibile, ci este mai bine descris de Pământ, căzând liber prin spațiul curbat în prezența Soarelui. Chiar și în acest caz, curbura spațiului va fi prea mică și nu vor exista defecte în acesta.
Încercați să reprezentați spațiul cât mai bine. Cu ce seamănă? Va fi gol, neted și mai ales uniform? De asemenea, credeți că singurele abateri de la această stare vor fi asociate cu prezența maselor și cuantele de energie? Aceasta este o abordare bună pe care fizicienii o adoptă de obicei. La scară largă, spațiul va fi o grilă tridimensională, singurele abateri în care vor fi mici regiuni de curbură spațială de mică magnitudine, creând forța gravitațională pe care o cunoaștem bine. Spațiul din această configurație va fi în starea cu cea mai mică energie.
Țesătura spațiului-timp se ondulează și se deformează datorită masei. Din câte știm, spațiul nu se pliază niciodată în sine și nu se pliază niciodată.
Dar ce zici de stările excitate? Sau altele? Pentru a face mai ușor, să scădem două dimensiuni spațiale și să lăsăm una: linia. Linia poate fi dreaptă, deschisă și fără sfârșit sau închisă, ca o buclă. În ambele cazuri, ele vor fi liniile în starea de energie cea mai scăzută. Cum ar fi o stare cu energie ridicată? Imaginați-vă că vă luați linia și o atârnați ca un șir. Acum faceți un nod pe șir ca și cum ați lega șireturi. Un șir fără nod va reprezenta un spațiu unidimensional în starea de energie cea mai scăzută; un șir cu un singur nod va reprezenta un spațiu unidimensional în prima stare excitată. Acest nod va fi un defect topologic 0-dimensional.
Acum puteți face câteva lucruri interesante cu linia care conține nodul. Puteți lega un alt nod în același mod și puteți obține două defecte topologice în loc de unul. Dar dacă legați nodul în direcția opusă (adică faceți aceeași buclă, dar altfel traversați capetele înainte de a arunca și strânge), acest nod va fi opus topologic nodului original. Dacă aliniați foarte atent ambele noduri (originale și opuse), se dovedește că se pot dezlega reciproc și pot readuce linia într-o stare de energie redusă.
Video promotional:
Două tipuri de efecte zero-dimensionale - nod și anti-nod - au analogii fizice în Universul nostru: monopolurile magnetice. Nodul corespunde unui pol nord magnetic izolat; anti-nod către polul magnetic sud izolat. Dacă le combinați, ele anihilează, la fel ca materia și antimateria, și readuc țesătura spațiu-timp la o stare de energie scăzută. Deoarece monopolurile sunt doar particule punctiforme, ele se vor comporta ca materie obișnuită, nu mult diferită de monopolurile electrice (sarcini electrice pozitive și negative) care există în universul nostru.
Conceptul unui monopol magnetic care emite linii de câmp magnetic în același mod în care o sarcină electrică izolată ar emite linii de câmp electric
Deci, să revenim la universul nostru 3D. Acum vă puteți imagina nu numai defecte precise, ci și defecte de înaltă dimensiune:
- Șiruri cosmice: atunci când o linie unidimensională pătrunde într-un fel în întregul univers observabil
- Pereții domeniului: când un plan bidimensional cu proprietăți diferite de la o parte la alta trece prin univers
- Texturi spațiale: atunci când o zonă a spațiului tridimensional este răsucită în noduri
Deci, avem monopoluri (0-dimensionale), șiruri (1-dimensionale), pereți (2-dimensionale) și texturi (3-dimensionale) - tot felul de defecte care apar din mecanisme diferite din aceeași clasă: când simetria este ruptă
Diferențele dintre universuri, unul creat în conformitate cu cosmologia standard (stânga) și unul creat cu o rețea semnificativă de defecte topologice (dreapta), dau naștere la o varietate de structuri la scară largă. Observațiile noastre sunt suficiente pentru a exclude șirurile cosmice și pereții domeniului ca componentă dominantă a universului modern.
Ruperea simetriei este o problemă serioasă în fizică. Fiecare simetrie existentă corespunde unei valori stocate, deci dacă simetria este ruptă, acea valoare nu mai este stocată. Monopolurile pot fi produse prin ruperea simetriei sferice; corzile pot fi produse prin ruperea simetriei unghiulare sau cilindrice; încălcarea simetriei discrete poate crea pereți de domeniu. Alte defecte sunt puțin mai dificil de găsit, dar de multe ori intră în joc atunci când vine vorba de scenarii cu dimensiuni suplimentare. Dar primele trei - în special monopolurile, șirurile cosmice și pereții domeniului - prezintă un interes deosebit pentru cosmologie.
Știm că totul nu este limitat de modelul standard și există multe extensii și adăugiri care pot avea consecințe interesante observabile. Una dintre ele este ideea Marii Uniri, când forțele electromagnetice, slabe și puternice se combină la energii mari. Ideea din spatele unificării este că toate cele trei forțe ale modelului standard, și poate chiar gravitația cu energie ridicată, ar putea fi combinate într-o singură structură. Acest lucru nu va duce doar la apariția de noi particule și interacțiuni, ci ar permite și apariția monopolurilor magnetice. Lipsa monopolurilor magnetice din Universul observabil este adesea citată ca dovadă a inflației cosmice și că Universul nu se va încălzi niciodată suficient după sfârșitul inflației pentru a restabili simetria Teoriilor Marii Uniri.
Dacă simetria care asigură Marea Unificare s-ar rupe, ar apărea un număr colosal de monopoluri magnetice. Dar ele nu se află în Universul nostru; dacă inflația cosmică ar avea loc după ce această simetrie a fost ruptă, cel puțin un monopol ar trebui să rămână în universul observabil
Șirurile cosmice și pereții domeniului ar putea apărea în timpul tranzițiilor de fază, dacă ar exista cu adevărat, la scurt timp după sfârșitul inflației. Pot exista unele simetrii extrem de ridicate de energie formate în timpuri timpurii, atunci când apar defecte similare. Șirurile cosmice și pereții de domeniu - una sau o întreagă rețea - ar trebui să lase o semnătură în structura pe scară largă a Universului, texturile ar apărea în CMB, iar monopolurile ar trebui create prin experimente directe. Unii fizicieni indică monopolul magnetic descoperit la 14 februarie 1982 ca dovadă a inflației cosmice: a existat un monopol în universul observabil și l-am văzut!
În 1982, un experiment condus de Blas Cabrera, înarmat cu opt rotații de sârmă, a înregistrat o schimbare a fluxului a opt magnetoni: citiri care indică un monopol magnetic. Din păcate, în momentul descoperirii, nimeni nu era în apropiere și nimeni nu a reușit să reproducă rezultatul, precum și să găsească un alt monopol
Și dacă monopolurile se comportă ca materia, șirurile cosmice, pereții domeniului sau texturile cosmologice vor afecta serios expansiunea Universului. Șirurile cosmice se vor comporta ca o curbură spațială, limitată la aproximativ 0,4% din densitatea totală a energiei, iar pereții domeniului vor crea o formă de energie întunecată care accelerează expansiunea universului atât de încet încât nici măcar nu va fi vizibilă. Texturile cosmologice vor avea același efect ca și constanta cosmologică, dar Universul nostru observabil va trebui să fie limitat la un singur defect pentru a explica observațiile noastre.
Diferite componente ale densității energetice a Universului și când acestea s-ar putea manifesta în deplină forță. Dacă șirurile cosmice sau pereții domeniului ar exista în orice cantitate, acestea ar afecta grav expansiunea universului nostru.
Monopolurile, corzile, pereții, texturile și alte defecte ar trebui să fie foarte grele dacă ar exista. Monopolurile ar fi cele mai masive particule descoperite vreodată (de 100 de miliarde de ori mai mari decât un quark superior). Corzile, pereții și texturile ar deveni semințe pentru structuri la scară largă, tragând materialul împreună și formând alte structuri pe care le putem vedea cu ușurință cu telescoape moderne, sondaje și date CMB. Constrângerile actuale ne spun că astfel de structuri nu există din abundență și cu greu ar reprezenta mai mult de câteva procente din bugetul total de energie al spațiului.
Până în prezent, nu există dovezi că universul nostru este defect, în afară de acea observație unică a unui monopol magnetic acum 35 de ani. Deși nu le putem infirma existența (numai limita), trebuie să ne ținem urechile deasupra și să fim pregătiți nu numai pentru posibila lor detectare, ci și pentru orice alte adăugiri la Modelul Standard care nu sunt interzise de fizică. În cele mai multe cazuri, dacă acestea nu există, atunci trebuie să existe ceva care să le suprime existența. Lipsa dovezilor nu indică absența fenomenului. Cu toate acestea, și despre disponibilitate.
Ilya Khel
