Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian suurin opetus on, että avaruus itsessään ei ole tasainen, muuttumaton ja absoluuttinen kokonaisuus. Se kudotaan yhdessä ajan kanssa yhdeksi kankaaksi: aika-aika. Tämä kudos on jatkuva, sileä ja taipuu ja muuttuu aineen ja energian läsnä ollessa. Kaikki, mitä on olemassa tässä aika-tilassa, liikkuu pitkin aika-ajan kaarevuuden määrittelemää polkua, ja sen liikettä rajoittaa valon nopeus. Mutta entä jos itse kankaassa on vikoja? Tämä ei ole tieteiskirjallisuus, vaan teoreettisen fysiikan todella olemassa oleva idea. Siihen liittyy korkean energian pyhäinjäännöksiä, kuten domeeniseinät, kosmiset kielet ja monopoleja. Ethan Siegel Medium.com-sivustolta yritti vastata kysymykseen, mikä on niiden alkuperä, ominaisuudet ja miten he tulevat toimeen tavallisen universumin kanssa.
Kävi ilmi, että viallisen maailmankaikkeuden saaminen ei ole matemaattisesti niin vaikeaa.
Maapallon gravitaatiokäyttäytyminen kiertoradalla ei johdu näkymättömästä painovoimagravitaatiosta, vaan sitä kuvaa paremmin maapallon vapaa putoaminen kaarevan avaruuden läpi auringon läsnäollessa. Jopa tässä tapauksessa tilan kaarevuus on liian pieni eikä siinä ole vikoja.
Yritä edustaa tilaa mahdollisimman hyvin. Miltä se näyttää? Onko se tyhjä, sileä ja enimmäkseen yhtenäinen? Luuletko myös, että ainoat poikkeamat tästä tilasta liittyvät massojen ja energiakvanttien läsnäoloon? Tämä on hyvä lähestymistapa, johon fyysikot yleensä suhtautuvat. Laajassa mittakaavassa avaruudesta tulee kolmiulotteinen ruudukko, jonka ainoat poikkeamat ovat pienikokoisia pieniä alueellisia avaruuskaarevuuksia, mikä luo tunnetun painovoiman. Tämän kokoonpanon tila on vähäisimmässä tilassa.
Aika-aikaisten väreiden ja loimien kangas massan takia Sikäli kuin tiedämme, tila ei koskaan taittu itseensä tai taipu.
Mutta entä innostuneet tilat? Tai muut? Sen helpottamiseksi vähennetään kaksi avaruusulottuvuutta ja jätetään yksi: viiva. Viiva voi olla suora, avoin ja loputon tai suljettu, kuten silmukka. Molemmissa tapauksissa ne ovat pienimmän energiatilan linjat. Millainen olisi korkean energian tila? Kuvittele, että otat siiman ja ripustat sen kuin merkkijono. Tee nyt solmu naruun ikään kuin olisit sitonut nauhoja. Merkkijono ilman solmua edustaa yksiulotteista tilaa pienimmässä energiatilassa; yhden solmun merkkijono edustaa yksiulotteista tilaa ensimmäisessä viritetyssä tilassa. Tämä solmu on 0-ulotteinen topologinen vika.
Nyt voit tehdä mielenkiintoisia asioita solmun sisältävällä rivillä. Voit sitoa toisen solmun samalla tavalla ja saada kaksi topologista vikaa yhden sijasta. Mutta jos sidot solmun vastakkaiseen suuntaan (toisin sanoen tee sama silmukka, mutta muuten ylitä päät ennen heittämistä ja kiristämistä), tämä solmu on topologisesti päinvastainen kuin alkuperäinen solmu. Jos kohdistat molemmat solmut varovasti (alkuperäiset ja vastakkaiset), käy ilmi, että ne voivat irrottaa toisensa ja palauttaa linjan matalan energian tilaan.
Mainosvideo:
Kahdella näistä nollaulotteisista vaikutuksista - solmu ja solmunvastainen - on universumissamme fyysisiä analogioita: magneettiset monopolit. Solmu vastaa eristettyä magneettista pohjoisnapaa; eristetty etelän magneettinapa. Jos yhdistät ne, ne tuhoavat, kuten aine ja antiaine, ja palauttavat aika-ajan kudoksen matalan energian tilaan. Koska monopolit ovat vain pistehiukkasia, ne käyttäytyvät tavallisena aineena, eivät juurikaan eroa maailmankaikkeumassamme esiintyvistä sähköisistä monopoleista (positiiviset ja negatiiviset sähkövaraukset).
Käsite magneettisesta monopolista, joka lähettää magneettikentän linjoja samalla tavalla kuin eristetty sähkövaraus emittoisi sähkökenttäjohtoja
Joten palataan takaisin 3D-universumiin. Nyt voit kuvitella pisteiden lisäksi myös suurikokoisia vikoja:
- Kosmiset merkkijonot: kun yksiulotteinen linja läpäisee jollain tavalla koko havaittavan maailmankaikkeuden
- Verkkotunnukset: kun universumin läpi kulkee kaksiulotteinen taso, jolla on erilaisia ominaisuuksia yhdeltä puolelta toiselle
- Avaruusrakenteet: kun kolmiulotteisen tilan alue on kierretty solmuiksi
Joten meillä on monopoleja (0-ulotteinen), kieliä (1-ulotteinen), seiniä (2-ulotteinen) ja tekstuureja (3-ulotteinen) - kaikenlaisia vikoja, jotka syntyvät saman luokan eri mekanismeista: kun symmetria on rikki.
Erot universumien välillä, joista yksi on luotu tavallisen kosmologian mukaan (vasen) ja toinen, jolla on merkittävä topologisten vikojen verkko (oikealla), synnyttävät erilaisia laajamittaisia rakenteita. Havaintomme ovat riittäviä sulkemaan pois kosmiset merkkijonot ja verkkotunnuksen seinät modernin maailmankaikkeuden hallitsevana komponenttina.
Symmetrian rikkominen on vakava asia fysiikassa. Jokainen olemassa oleva symmetria vastaa tallennettua arvoa, joten jos symmetria rikkoutuu, kyseistä arvoa ei enää tallenneta. Monopoleja voidaan tuottaa rikkomalla pallomainen symmetria; jouset voidaan tuottaa rikkomalla kulma- tai sylinterimäinen symmetria; erillisen symmetrian rikkominen voi luoda verkkotunnuksen seinämiä. Muita vikoja on vähän vaikeampaa löytää, mutta ne tulevat usein esiin, kun on kyse skenaarioista, joissa on muita ulottuvuuksia. Kolme ensimmäistä - etenkin monopolit, kosmiset merkkijonot ja verkkotunnuksen seinät - ovat erityisen kiinnostuneita kosmologiasta.
Tiedämme, että kaikki ei rajoitu vain vakiomalliin ja että on olemassa monia laajennuksia ja lisäyksiä, joilla voi olla mielenkiintoisia havaittavia seurauksia. Yksi niistä on ajatus suuresta yhdistämisestä, kun sähkömagneettiset, heikot ja vahvat ydinvoimat yhdistyvät suurilla energioilla. Yhdistymisen taustalla on, että kaikki vakiomallin kolme voimaa ja ehkä jopa korkean energian painovoima voidaan yhdistää yhdeksi rakenteeksi. Tämä ei vain johtaisi uusien hiukkasten ja vuorovaikutusten syntymiseen, vaan myös mahdollistaisi magneettisten monopolien syntymisen. Magneettisten monopolien puuttuminen havaittavassa maailmankaikkeudessa mainitaan usein todisteena kosmisesta inflaatiosta ja siitä, että maailmankaikkeus ei koskaan kuumene tarpeeksi inflaation päättymisen jälkeen palauttamaan suurten yhdistämisteorioiden symmetrian.
Jos symmetria, joka varmistaa suuren yhdistämisen, katkaistaisiin, ilmestyisi valtava määrä magneettisia monopoleja. Mutta he eivät ole universumissamme; jos kosminen inflaatio tapahtuisi tämän symmetrian rikkoutumisen jälkeen, ainakin yhden monopolin olisi pysyttävä havaittavissa olevassa universumissa
Kosmiset merkkijonot ja verkkotunnuksen seinät saattavat ilmestyä vaihesiirtymien aikana, jos niitä todella olisi, pian inflaation päättymisen jälkeen. Varhaisina aikoina voi olla joitain erittäin korkean energian symmetrioita, kun ne rikkoutuvat, tällaisia vikoja esiintyy. Kosmisten merkkijonojen ja verkkotunnusten - yhden tai koko verkon - olisi jätettävä allekirjoitus maailmankaikkeuden laajamittaisessa rakenteessa, tekstuurit ilmestyvät CMB: hen ja monopoleja olisi luotava suorilla kokeilla. Jotkut fyysikot viittaavat 14. helmikuuta 1982 löydettyyn magneettiseen monopoliin todisteena kosmisesta inflaatiosta: havaittavassa maailmankaikkeudessa oli yksi monopoli, ja me näimme sen!
Vuonna 1982 Blas Cabreran johtama koe, joka oli aseistettu kahdeksalla kierroslangalla, kirjasi muutoksen kahdeksan magnetonin virtauksessa: lukemat osoittavat magneettisen monopolin. Valitettavasti löydön aikana kukaan ei ollut lähellä eikä kukaan pystynyt toistamaan tulosta sekä löytämään toisen monopolin
Ja jos monopolit käyttäytyvät aineen tavoin, kosmiset jouset, verkkotunnuksen seinät tai kosmologiset tekstuurit vaikuttavat vakavasti maailmankaikkeuden laajenemiseen. Kosmiset merkkijonot käyttäytyvät avaruuskaarevuuden tavoin, rajoitettuna noin 0,4 prosenttiin energian kokonaistiheydestä, ja verkkotunnuksen seinät luovat muodon pimeää energiaa, joka kiihdyttää maailmankaikkeuden laajentumista niin hitaasti, ettei sitä edes huomaa. Kosmologisilla tekstuureilla on sama vaikutus kuin kosmologisella vakiolla, mutta havaittavissa oleva maailmankaikkeutemme on rajoituttava yhteen ainoaan virheeseen havainnoidemme selittämiseksi.
Eri komponentit maailmankaikkeuden energiatiheydestä ja siitä, milloin ne voivat ilmetä täydellä voimalla. Jos kosmisia merkkijonoja tai verkkotunnuksen seiniä esiintyisi missä tahansa määrin, ne vaikuttaisivat vakavasti maailmankaikkeuden laajenemiseen.
Monopolien, narujen, seinien, tekstuurien ja muiden vikojen tulisi olla erittäin raskaita, jos ne ovat olemassa. Monopolit olisivat kaikkien aikojen massiivisimpia hiukkasia (100 biljoonaa kertaa massiivisempi kuin yläkvarka). Jousista, seinistä ja tekstuureista tulisi siemeniä suurille rakenteille, jotka vetävät materiaalia yhteen ja muodostavat muita rakenteita, jotka voimme helposti nähdä nykyaikaisilla teleskoopeilla, tutkimuksilla ja CMB-tiedoilla. Nykyiset rajoitteet kertovat meille, että tällaisia rakenteita ei ole olemassa runsaasti, ja niiden osuus tuskin olisi yli muutama prosentti avaruuden kokonaisbudjetista.
Tähän päivään mennessä ei ole mitään todisteita siitä, että maailmankaikkeumme olisi viallinen, kuin se ainoa havainto magneettisesta monopolista 35 vuotta sitten. Vaikka emme voi kieltää heidän olemassaoloa (vain raja), meidän on pidettävä korvamme päällä ja oltava valmiita paitsi niiden mahdolliseen havaitsemiseen myös muihin vakiomallin lisäyksiin, joita fysiikka ei kiellä. Useimmissa tapauksissa, jos niitä ei ole, heidän olemassaolonsa on estettävä. Todisteiden puute ei osoita ilmiön puuttumista. Kuitenkin myös saatavuus.
Ilya Khel