Einsteins største leksjon i generell relativitet er at rommet ikke er flatt, uforanderlig og absolutt. Den er vevd sammen med tiden i ett stoff: romtid. Dette vevet er kontinuerlig, glatt og blir bøyd og deformert i nærvær av materie og energi. Alt som eksisterer i denne romtiden beveger seg langs en bane som bestemmes av krumningen av romtid, og dens bevegelse er begrenset av lysets hastighet. Men hva om det er feil i selve stoffet? Dette er ikke science fiction, men en virkelig eksisterende ide i teoretisk fysikk. Assosiert med det er høyenergirester som domenevegger, kosmiske strenger og monopol. Ethan Siegel fra Medium.com prøvde å svare på spørsmålet om opprinnelse, egenskaper og hvordan de kommer overens med det normale universet.
Det viste seg at det å få et defekt univers ikke er så vanskelig matematisk.
Jordens gravitasjonsoppførsel i bane skyldes ikke usynlig gravitasjonens tyngdekraft, men er bedre beskrevet av at jorden fritt faller gjennom et buet rom i nærvær av solen. Selv i dette tilfellet vil romets krumning være for liten og det vil ikke være noen feil.
Prøv å representere rommet så godt du kan. Hvordan ser det ut? Vil det være tomt, glatt og stort sett ensartet? Tror du også at de eneste avvikene fra denne tilstanden vil være forbundet med tilstedeværelsen av masser og kvantum energi? Dette er en god tilnærming som fysikere vanligvis tar. I stor skala vil rommet være et tredimensjonalt rutenett, hvor de eneste avvikene vil være små områder med romlig krumning av liten størrelse, og skape tyngdekraften vi kjenner godt. Plass i denne konfigurasjonen vil være i minst mulig energi.
Stoffet av krusninger og vridninger i romtiden på grunn av masse. Så vidt vi vet, brettes rommet aldri inn i seg selv eller bøyes.
Men hva med begeistrede stater? Eller andre? For å gjøre det lettere, la oss trekke to romlige dimensjoner og la en: linjen. Linjen kan være rett, åpen og endeløs, eller lukket, som en sløyfe. I begge tilfeller vil de være linjene i lavest energitilstand. Hvordan ville en høy energitilstand være? Tenk deg å ta linjen din og henge den som en streng. Lag nå en knute på strengen, som om du binder snørebånd. En streng uten knute vil representere et endimensjonalt rom i lavest energitilstand; en streng med en knute vil representere et endimensjonalt rom i den første begeistrede tilstanden. Denne noden vil være en 0-dimensjonal topologisk defekt.
Nå kan du gjøre noen interessante ting med linjen som inneholder noden. Du kan knytte en ny knute på samme måte og få to topologiske feil i stedet for en. Men hvis du knytter en knute i motsatt retning (det vil si lage samme sløyfe, men ellers krysser endene før du slenger og strammer), vil denne knuten være topologisk motsatt den opprinnelige knuten. Hvis du nøye justerer begge knutene (original og motsatt), viser det seg at de kan løse opp hverandre og returnere linjen til en tilstand med lav energi.
Kampanjevideo:
To typer av disse nulldimensjonale effektene - knute og anti-knute - har fysiske analogier i vårt univers: magnetiske monopol. Noden tilsvarer en isolert magnetisk nordpol; anti-node til den isolerte sørlige magnetpolen. Hvis du kombinerer dem, utsletter de, som materie og antimateriale, og setter stoffet i romtid tilbake til en lav energitilstand. Siden monopol er bare punktpartikler, vil de oppføre seg som vanlig materie, ikke mye forskjellig fra de elektriske monopolene (positive og negative elektriske ladninger) som finnes i vårt univers.
Konseptet med en magnetisk monopol som sender ut magnetiske feltlinjer på samme måte som en isolert elektrisk ladning vil avgi elektriske feltlinjer
Så la oss komme tilbake til vårt 3D-univers. Nå kan du forestille deg ikke bare punktfeil, men også høydimensjonale feil:
- Kosmiske strenger: når en endimensjonal linje på en eller annen måte gjennomsyrer hele det observerbare universet
- Domenevegger: når et todimensjonalt plan med forskjellige egenskaper fra den ene siden til den andre passerer gjennom universet
- Romteksturer: når et område med tredimensjonalt rom er vridd til knuter
Så vi har monopol (0-dimensjonalt), strenger (1-dimensjonalt), vegger (2-dimensjonalt) og teksturer (3-dimensjonalt) - alle slags feil som oppstår fra forskjellige mekanismer i samme klasse: når symmetri er brutt.
Forskjellene mellom universer, en skapt i henhold til standard kosmologi (venstre) og en skapt med et betydelig nettverk av topologiske defekter (høyre), produserer en rekke store strukturer. Våre observasjoner er nok til å utelukke kosmiske strenger og domenevegger som den dominerende komponenten i det moderne universet.
Symmetribrudd er en alvorlig sak i fysikk. Hver eksisterende symmetri tilsvarer en lagret verdi, så hvis symmetrien er brutt, lagres ikke denne verdien lenger. Monopol kan produseres ved å bryte sfærisk symmetri; strenger kan produseres ved å bryte vinklet eller sylindrisk symmetri; brudd på diskret symmetri kan skape domenemurer. Andre mangler er litt vanskeligere å finne, men de spiller ofte inn når det gjelder scenarier med ekstra dimensjoner. Men de tre første - spesielt monopol, kosmiske strenger og domenevegger - er av spesiell interesse for kosmologi.
Vi vet at alt ikke er begrenset til standardmodellen, og det er mange utvidelser og tillegg som kan ha interessante observerbare konsekvenser. En av dem er ideen om Grand Unification, når elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter styrker seg sammen med høy energi. Ideen bak foreningen er at alle tre kreftene i standardmodellen, og kanskje til og med høyenergi tyngdekraften, kunne kombineres til en enkelt struktur. Dette vil ikke bare føre til fremveksten av nye partikler og interaksjoner, men vil også tillate fremveksten av magnetiske monopol. Mangelen på magnetiske monopol i det observerbare universet blir ofte sitert som bevis på kosmisk inflasjon og at universet aldri vil bli varmt nok etter at inflasjonen er avsluttet til å gjenopprette symmetrien til Grand Unification Theories.
Hvis symmetrien som sikrer den store foreningen ble brutt, ville det vises et enormt antall magnetiske monopol. Men de er ikke i vårt univers; hvis kosmisk inflasjon fant sted etter at denne symmetrien ble brutt, måtte minst en monopol være i det observerbare universet
Kosmiske strenger og domenevegger kan dukke opp under faseoverganger, hvis de virkelig eksisterte, kort tid etter inflasjonens slutt. Det kan være noen ekstremt høyenergiske symmetrier dannet i de tidlige tider, når slike brudd oppstår. Kosmiske strenger og domenevegger - ett eller et helt nettverk - må legge igjen en signatur i den store strukturen i universet, teksturer vil vises i CMB, og monopol må opprettes gjennom direkte eksperimenter. Noen fysikere peker på den magnetiske monopolet som ble oppdaget 14. februar 1982 som bevis på kosmisk inflasjon: det var en monopol i det observerbare universet, og vi så det!
I 1982 registrerte et eksperiment ledet av Blas Cabrera, bevæpnet med åtte omdreininger, en endring i strømmen av åtte magnetoner: avlesninger som indikerer en magnetisk monopol. Dessverre, på tidspunktet for oppdagelsen, var ingen i nærheten, og ingen var i stand til å reprodusere resultatet, i tillegg til å finne en annen monopol
Og hvis monopol oppfører seg som materie, vil kosmiske strenger, domenevegger eller kosmologiske strukturer alvorlig påvirke utvidelsen av universet. Kosmiske strenger vil oppføre seg som romlig krumning, begrenset til ca. 0,4% av den totale energitettheten, og domeneveggene vil skape en form for mørk energi som akselererer utvidelsen av universet så sakte at det ikke en gang vil bli merkbart. Kosmologiske teksturer vil ha samme effekt som den kosmologiske konstanten, men vårt observerbare univers må begrenses til en enkelt feil for å forklare våre observasjoner.
Ulike komponenter i energitettheten i Universet og når de kunne manifestere seg i full styrke. Hvis kosmiske strenger eller domenemurer eksisterte i en hvilken som helst mengde, ville de alvorlig påvirke utvidelsen av vårt univers.
Monopol, strenger, vegger, teksturer og andre mangler bør være supertunge hvis de eksisterte. Monopoler ville være de mest massive partiklene som noensinne er oppdaget (100 billioner ganger mer massive enn en toppkvark). Strenger, vegger og teksturer vil bli frø for store strukturer, trekke materiale sammen og danne andre strukturer som vi enkelt kan se med moderne teleskoper, undersøkelser og CMB-data. Nåværende begrensninger forteller oss at slike strukturer ikke eksisterer i overflod, og at de neppe vil utgjøre mer enn noen få prosent av det totale energibudsjettet til rommet.
Til dags dato er det ingen bevis for at universet vårt er defekt, bortsett fra den eneste observasjonen av en magnetisk monopol for 35 år siden. Selv om vi ikke kan tilbakevise deres eksistens (bare begrensning), må vi holde ørene på toppen og være forberedt på ikke bare for mulig oppdagelse, men også for andre tillegg til standardmodellen som ikke er forbudt av fysikk. I de fleste tilfeller, hvis de ikke eksisterer, må det være noe som undertrykker deres eksistens. Manglende bevis indikerer ikke fraværet av fenomenet. Imidlertid tilgjengeligheten også.
Ilya Khel
