Najveća pouka Einsteinove opće teorije relativnosti jest da sam prostor nije ravna, nepromjenjiva i apsolutna cjelina. Tkan je zajedno s vremenom u jedno tkivo: prostor-vrijeme. Ovo tkivo je kontinuirano, glatko i postaje savijeno i deformirano u prisutnosti materije i energije. Sve što postoji u ovom prostor-vremenu kreće se putem koji je određen zakrivljenošću prostor-vremena, a njegovo kretanje je ograničeno brzinom svjetlosti. Ali što ako u samoj tkanini postoje nedostaci? Ovo nije znanstvena fantastika, već stvarno postojeća ideja u teorijskoj fizici. Uz njega su povezane visokoenergetske relikvije poput zidova domena, kozmičkih žica i monopola. Ethan Siegel s Medium.com pokušao je odgovoriti na pitanje kakvog su porijekla, svojstava i kako će se slagati s normalnim svemirom.
Pokazalo se da matematički nije toliko teško dobiti neispravan Svemir.
Gravitacijsko ponašanje Zemlje u orbiti nije posljedica nevidljive gravitacijske gravitacije, već je bolje opisuje Zemlja koja slobodno pada kroz zakrivljeni prostor u prisutnosti Sunca. Čak i u ovom slučaju, zakrivljenost prostora bit će premala i neće biti nedostataka.
Pokušajte predstaviti prostor najbolje što možete. Kako izgleda? Hoće li biti prazno, glatko i uglavnom jednolično? Mislite li također da će jedina odstupanja od ovog stanja biti povezana s prisutnošću masa i kvanta energije? Ovo je dobar pristup koji fizičari obično zauzimaju. U velikim razmjerima, svemir će biti trodimenzionalna mreža, čija će jedina odstupanja biti mala područja prostorne zakrivljenosti male veličine, stvarajući gravitacijsku silu koju dobro poznajemo. Prostor u ovoj konfiguraciji bit će u stanju najmanje energije.
Tkanina prostorno-vremenskog mreškanja i iskrivljenja zbog mase. Koliko nam je poznato, prostor se nikada ne savija u sebi niti savija.
Ali što je s uzbuđenim stanjima? Ili drugima? Da bismo to olakšali, oduzmimo dvije prostorne dimenzije i ostavimo jednu: crtu. Linija može biti ravna, otvorena i beskrajna ili zatvorena, poput petlje. U oba slučaja to će biti linije u stanju s najnižom energijom. Kakvo bi bilo visokoenergetsko stanje? Zamislite da uzmete svoju liniju i objesite je kao konce. Sada napravite čvor na uzici kao da vežete vezice. Struna bez čvora predstavljat će jednodimenzionalni prostor u stanju najniže energije; niz s jednim čvorom predstavljat će jednodimenzionalni prostor u prvom pobuđenom stanju. Ovaj čvor bit će 0-dimenzionalni topološki nedostatak.
Sada možete napraviti neke zanimljive stvari s linijom koja sadrži čvor. Na isti način možete vezati još jedan čvor i umjesto jednog dobiti dva topološka nedostatka. Ali ako zavežete čvor u suprotnom smjeru (tj. Napravite istu petlju, ali u suprotnom prekrižite krajeve prije bacanja i zatezanja), ovaj će čvor biti topološki suprotan izvornom čvoru. Ako vrlo pažljivo poravnate oba čvora (izvorni i suprotni), ispada da se oni mogu međusobno odvezati i vratiti liniju u stanje niske energije.
Promotivni video:
Dvije vrste ovih nultidimenzionalnih učinaka - čvor i protiv čvora - imaju fizičke analogije u našem Svemiru: magnetski monopoli. Čvor odgovara izoliranom magnetskom sjevernom polu; anti-čvor na izoliranom južnom magnetskom polu. Ako ih kombinirate, oni uništavaju, poput materije i antimaterije, i vraćaju tkivo prostora-vremena u stanje niske energije. Budući da su monopoli samo točkaste čestice, ponašat će se poput uobičajene materije, ne mnogo drugačije od električnih monopola (pozitivni i negativni električni naboji) koji postoje u našem svemiru.
Koncept magnetskog monopola koji emitira vodove magnetskog polja na isti način na koji bi izolirani električni naboj emitirao vodove električnog polja
Vratimo se našem 3D svemiru. Sada možete zamisliti ne samo precizne nedostatke, već i visoke dimenzije:
- Kozmičke žice: kada jednodimenzionalna linija na neki način prožima čitav svemir koji se može promatrati
- Zidovi domena: kada dvodimenzionalna ravnina s različitim svojstvima s jedne na drugu stranu prolazi kroz svemir
- Teksture prostora: kada je područje trodimenzionalnog prostora uvijeno u čvorove
Dakle, imamo monopole (0-dimenzionalne), žice (1-dimenzionalne), zidove (2-dimenzionalne) i teksture (3-dimenzionalne) - sve vrste nedostataka koji proizlaze iz različitih mehanizama iste klase: kad je simetrija slomljena.
Razlike između svemira, jedan stvoren prema standardnoj kozmologiji (lijevo) i onaj stvoren sa značajnom mrežom topoloških defekata (desno), stvaraju razne strukture velikih razmjera. Naša su opažanja dovoljna da isključe kozmičke žice i zidove domena kao dominantnu komponentu modernog svemira.
Prekid simetrije ozbiljna je stvar u fizici. Svaka postojeća simetrija odgovara pohranjenoj vrijednosti, pa ako je simetrija prekinuta, ta vrijednost više nije pohranjena. Monopoli se mogu dobiti rušenjem sferne simetrije; žice se mogu dobiti rušenjem kutne ili cilindrične simetrije; kršenje diskretne simetrije može stvoriti zidove domene. Ostale je nedostatke malo teže pronaći, ali često dolaze u obzir kada su u pitanju scenariji s dodatnim dimenzijama. Ali prva tri - posebno monopoli, kozmičke žice i zidovi domena - su od posebnog interesa za kozmologiju.
Znamo da Standardni model nije sve ograničio i postoji mnogo proširenja i dodataka koji mogu imati zanimljive uočljive posljedice. Jedna od njih je ideja Velikog ujedinjenja, kada se elektromagnetske, slabe i jake nuklearne sile kombiniraju pri visokim energijama. Ideja koja stoji iza ujedinjenja jest da bi se sve tri sile Standardnog modela, a možda čak i gravitacija pri visokim energijama, mogle kombinirati u jednu strukturu. To ne bi samo dovelo do pojave novih čestica i interakcija, već bi omogućilo i pojavu magnetskih monopola. Nedostatak magnetskih monopola u promatranom Svemiru često se navodi kao dokaz kozmičke inflacije i da se Svemir nikada neće dovoljno zagrijati nakon završetka inflacije da vrati simetriju teorija Velikog Ujedinjenja.
Kad bi se prekinula simetrija koja osigurava Veliko ujedinjenje, pojavio bi se kolosalni broj magnetskih monopola. Ali oni nisu u našem Svemiru; da se kozmička inflacija dogodila nakon što je prekinuta ta simetrija, barem jedan monopol morao bi ostati u vidljivom svemiru
Kozmičke strune i zidovi domena mogli bi se pojaviti tijekom faznih prijelaza, ako stvarno postoje, ubrzo nakon završetka inflacije. Možda postoje neke izuzetno visokoenergetske simetrije nastale u ranim vremenima, kad se slome, pojave se slični nedostaci. Kozmičke žice i zidovi domena - jedna ili cijela mreža - morali bi ostaviti potpis u širokoj strukturi svemira, teksture bi se pojavile u CMB-u, a monopoli bi se trebali stvoriti izravnim eksperimentiranjem. Neki fizičari ukazuju na magnetski monopol otkriven 14. veljače 1982. godine kao dokaz kozmičke inflacije: u promatranom svemiru bio je jedan monopol, a mi smo ga vidjeli!
1982. godine eksperiment koji je vodio Blas Cabrera, naoružan s osam zavoja žice, zabilježio je promjenu fluksa od osam magnetona: očitanja koja ukazuju na magnetski monopol. Nažalost, u vrijeme otkrića nitko nije bio u blizini i nitko nije uspio reproducirati rezultat, kao i pronaći drugi monopol
A ako se monopoli ponašaju poput materije, kozmičke žice, zidovi domena ili kozmološke teksture ozbiljno će utjecati na širenje Svemira. Kozmičke strune ponašat će se poput prostorne zakrivljenosti, ograničene na oko 0,4% ukupne gustoće energije, a zidovi domena stvorit će oblik tamne energije koji ubrzava širenje svemira tako polako da neće biti niti primjetan. Kozmološke teksture imat će isti učinak kao i kozmološka konstanta, ali naš vidljivi svemir morat će biti ograničen na jedan jedini nedostatak da bi objasnio naša zapažanja.
Razne komponente gustoće energije Svemira i kada bi se mogle manifestirati u punoj snazi. Da kozmički nizovi ili zidovi domene postoje u bilo kojoj količini, ozbiljno bi utjecali na širenje našeg svemira.
Monopoli, žice, zidovi, teksture i drugi nedostaci trebali bi biti izuzetno teški ako postoje. Monopoli bi bili najmasivnija čestica ikad otkrivena (100 bilijuna puta masivnija od gornjeg kvarka). Žice, zidovi i teksture postat će sjeme za velike strukture, skupljajući materijal i formirajući druge strukture koje možemo lako vidjeti modernim teleskopima, anketama i CMB podacima. Trenutna ograničenja govore nam da takvih struktura nema u izobilju i teško da bi predstavljale više od nekoliko posto ukupnog energetskog proračuna prostora.
Do danas nema dokaza da je naš svemir neispravan, osim onog pojedinačnog promatranja magnetskog monopola prije 35 godina. Iako ne možemo opovrgnuti njihovo postojanje (samo ograničenje), moramo držati uši na vrhu i biti spremni ne samo na njihovo moguće otkrivanje, već i na sve druge dodatke Standardnom modelu koje fizika ne zabranjuje. U većini slučajeva, ako ne postoje, onda mora postojati nešto što potiskuje njihovo postojanje. Nedostatak dokaza ne ukazuje na odsutnost pojave. Međutim, i dostupnost.
Ilja Khel
