Didžiausia Einšteino bendrojo reliatyvumo pamoka yra ta, kad pati erdvė nėra plokščia, nekintanti ir absoliuti. Jis audžiamas kartu su laiku į vieną audinį: erdvėlaikį. Šis audinys yra ištisinis, lygus ir, esant medžiagai ir energijai, tampa sulenktas ir deformuojamas. Viskas, kas egzistuoja šiame erdvės laike, juda erdvės ir laiko kreivumo nulemtu keliu, o jo judėjimą riboja šviesos greitis. Bet ką daryti, jei pačiame audinyje yra defektų? Tai nėra mokslinė fantastika, bet tikrai egzistuojanti teorinės fizikos idėja. Su juo susijusios didelės energijos relikvijos, tokios kaip domeno sienos, kosminės stygos ir monopoliai. Ethanas Siegelis iš „Medium.com“bandė atsakyti į klausimą, kokia jų kilmė, savybės ir kaip jie sutars su įprasta visata.
Paaiškėjo, kad gauti trūkumų turinčią Visatą nėra taip sunku matematiškai.
Žemės gravitacinis elgesys orbitoje vyksta ne dėl nematomos gravitacinės gravitacijos, bet jį geriau apibūdina Žemė, laisvai krisdama per kreivą erdvę Saulės akivaizdoje. Net ir tokiu atveju erdvės kreivumas bus per mažas ir jame nebus jokių defektų.
Pabandykite kuo geriau atstovauti erdvei. Kaip tai atrodo? Ar jis bus tuščias, lygus ir dažniausiai vienodas? Ar taip pat manote, kad vieninteliai nukrypimai nuo šios būsenos bus susiję su masių buvimu ir energijos kvantais? Tai yra geras požiūris, kurio paprastai laikosi fizikai. Dideliu mastu kosmosas bus trimatis tinklelis, vieninteliai nukrypimai bus nedideli nedidelio erdvinio kreivumo regionai, sukursiantys mums gerai pažįstamą gravitacinę jėgą. Tokios konfigūracijos erdvė bus mažiausiai energijos.
Erdvės – laiko audiniai dėl masės banguoja ir deformuojasi. Kiek žinome, erdvė niekada nesusilanksto savyje ir niekada nesusilanksto.
Bet kaip yra sujaudintomis būsenomis? Ar kiti? Kad būtų lengviau, atimkime du erdvinius matmenis ir palikime vieną: liniją. Linija gali būti tiesi, atvira ir nesibaigianti, arba uždara, pavyzdžiui, kilpa. Abiem atvejais jos bus mažiausiai energijos turinčios linijos. Kokia būtų didelės energijos būsena? Įsivaizduokite, kad paimsite savo liniją ir pakabinsite ją kaip virvelę. Dabar ant virvelės padarykite mazgą taip, tarsi rištumėte nėrinius. Stygos be mazgo atspindės vienos dimensijos erdvę žemiausios energijos būsenoje; eilutė su vienu mazgu atspindės vienos dimensijos erdvę pirmoje sužadintoje būsenoje. Šis mazgas bus 0 matmenų topologinis defektas.
Dabar galite padaryti įdomių dalykų naudodami eilutę, kurioje yra mazgas. Tokiu pat būdu galite susieti kitą mazgą ir gauti du topologinius defektus, o ne vieną. Bet jei surišite mazgą priešinga kryptimi (tai yra, padarykite tą pačią kilpą, bet priešingu atveju sukite galus prieš mėtydami ir priverždami), šis mazgas bus topologiškai priešingas pradiniam mazgui. Jei labai atsargiai sulyginsite abu mazgus (originalius ir priešingus), paaiškės, kad jie gali vienas kitą atrišti ir grąžinti liniją į mažai energijos būseną.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Du šių nulinio matmens efektų tipai - mazgas ir mazgas - turi visatų fizinių analogijų: magnetiniai monopoliai. Mazgas atitinka izoliuotą magnetinį šiaurės ašigalį; anti-mazgas į izoliuotą pietinį magnetinį polių. Jei juos sujungsite, jie sunaikins, kaip materija ir antimaterija, ir grąžins laiko-erdvės audinį į žemos energijos būseną. Kadangi monopoliai yra tik taškinės dalelės, jie elgsis kaip įprasta materija, nedaug kuo skiriasi nuo mūsų visatoje egzistuojančių elektrinių monopolių (teigiamų ir neigiamų elektrinių krūvių).
Magnetinio monopolio, skleidžiančio magnetinio lauko linijas, samprata taip pat, kaip izoliuoto elektros krūvio spinduliuojant elektrinio lauko linijas
Taigi grįžkime prie savo 3D visatos. Dabar galite įsivaizduoti ne tik taškinius defektus, bet ir didelių matmenų defektus:
- Kosminės stygos: kai vienmatė linija tam tikru būdu persmelkia visą stebimą visatą
- Domeno sienos: kai per Visatą eina dviejų savybių plokštuma, pasižyminti skirtingomis savybėmis iš vienos pusės į kitą
- Kosmoso faktūros: kai erdvinės erdvės sritis susukama į mazgus
Taigi, mes turime monopolijų (0 dimensijų), stygų (1 dimensijų), sienų (2 dimensijų) ir tekstūrų (3 dimensijų) - visokių defektų, atsirandančių dėl skirtingų tos pačios klasės mechanizmų: kai simetrija yra pažeista.
Skirtumai tarp visatų, sukurtos pagal standartinę kosmologiją (kairėje) ir sukurtos turint reikšmingą topologinių defektų tinklą (dešinėje), sukelia įvairias didelio masto struktūras. Mūsų pastebėjimų pakanka atmesti kosmines stygas ir srities sienas kaip dominuojantį šiuolaikinės visatos komponentą.
Simetrijos laužymas yra rimtas fizikos reikalas. Kiekviena esama simetrija atitinka išsaugotą vertę, taigi, jei simetrija yra pažeista, ta reikšmė nebebus saugoma. Monopolius galima gaminti sulaužius sferinę simetriją; stygos gali būti gaminamos nutraukiant kampinę ar cilindrinę simetriją; diskrečios simetrijos pažeidimas gali sukurti domeno sienas. Kitus defektus rasti yra šiek tiek sunkiau, tačiau jie dažnai iškyla, kai kalbama apie scenarijus su papildomais matmenimis. Tačiau pirmieji trys - ypač monopoliai, kosminės stygos ir domeno sienos - ypač domina kosmologiją.
Mes žinome, kad viskas neapsiriboja standartiniu modeliu ir yra daugybė plėtinių ir papildymų, kurie gali sukelti įdomių pastebimų pasekmių. Viena iš jų yra Didžiojo susivienijimo idėja, kai elektromagnetinės, silpnos ir stiprios branduolinės jėgos susijungia esant didelei energijai. Sujungimo idėja yra ta, kad visas tris standartinio modelio jėgas, o gal net ir sunkumą esant didelėms energijoms, galima sujungti į vieną struktūrą. Tai ne tik paskatintų naujų dalelių ir sąveikos atsiradimą, bet ir leistų atsirasti magnetiniams monopoliams. Magnetinių monopolių trūkumas stebimoje Visatoje dažnai nurodomas kaip kosminės infliacijos įrodymas ir tai, kad pasibaigus infliacijai Visata niekada nebus pakankamai karšta, kad atkurtų Didžiųjų susivienijimo teorijų simetriją.
Jei simetrija, užtikrinanti Didžiąją susivienijimą, būtų nutraukta, atsirastų milžiniškas skaičius magnetinių monopolijų. Bet jų nėra mūsų Visatoje; jei kosminė infliacija įvyktų sulaužius šią simetriją, bent vienas monopolis turėtų likti stebimoje visatoje
Kosminės stygos ir domenų sienos galėtų pasirodyti per fazes, jei jos tikrai egzistavo, netrukus po infliacijos pabaigos. Ankstyvaisiais laikais, suskaidžius panašius defektus, gali susidaryti keletas itin didelių energijos simetrijų. Kosminės stygos ir domenų sienos - vienas arba visas tinklas - turėtų palikti parašą didelio masto Visatos struktūroje, CMB atsirastų tekstūros, o tiesioginius eksperimentus tektų sukurti monopolius. Kai kurie fizikai nurodo magnetinį monopolį, atrastą 1982 m. Vasario 14 d., Kaip kosminės infliacijos įrodymą: stebimoje visatoje buvo vienas monopolis, ir mes tai matėme!
1982 m. Blaso Cabrera vadovaujamas eksperimentas, ginkluotas aštuoniais vielos apsisukimais, užfiksavo aštuonių magnetonų srauto pokytį: rodmenys rodė magnetinį monopolį. Deja, atradimo metu niekas nebuvo šalia ir niekas negalėjo atkurti rezultato, taip pat rasti kitą monopolį
Ir jei monopoliai elgsis kaip materija, kosminės stygos, srities sienos ar kosmologinės faktūros rimtai paveiks Visatos plėtrą. Kosminės stygos elgsis kaip erdvinis kreivumas, apribotas maždaug 0,4% viso energijos tankio, o domeno sienos sukurs tamsiosios energijos formą, kuri taip lėtai pagreitina Visatos plėtrą, kad jos net negalima pastebėti. Kosmologinės faktūros turės tą patį poveikį kaip kosmologinė konstanta, tačiau mūsų stebima visata turės apsiriboti vienu vieninteliu defektu, kad paaiškintų mūsų pastebėjimus.
Įvairūs Visatos energijos tankio komponentai ir kada jie gali pasireikšti visa jėga. Jei kosminės stygos ar srities sienos egzistuotų bet kokiu kiekiu, jos rimtai paveiktų mūsų visatos plėtrą.
Monopoliai, stygos, sienos, faktūros ir kiti defektai turėtų būti itin sunkūs, jei jų buvo. Monopoliai būtų masiškiausios kada nors atrastos dalelės (100 trilijonų kartų masyvesnės už viršutinį kvarką). Stygos, sienos ir tekstūros taptų didelių gabaritų konstrukcijų sėklomis, sujungiančiomis medžiagą ir formuojančios kitas struktūras, kurias lengvai galime pamatyti naudodamiesi šiuolaikiniais teleskopais, apklausomis ir CMB duomenimis. Dabartiniai suvaržymai byloja, kad tokių struktūrų nėra gausu ir vargu ar jos sudarytų daugiau nei kelis procentus viso kosmoso energijos biudžeto.
Iki šiol nėra jokių įrodymų, kad mūsų visata yra sugedusi, išskyrus tą vienintelį magnetinio monopolio stebėjimą prieš 35 metus. Nors negalime paneigti jų egzistavimo (tik riba), turime laikyti ausis ant viršaus ir būti pasirengę ne tik galimam jų aptikimui, bet ir bet kokiems kitiems standarto modelio papildymams, kurių fizika nedraudžia. Daugeliu atvejų, jei jų nėra, turi būti kažkas, kas slopina jų egzistavimą. Įrodymų trūkumas nerodo šio reiškinio nebuvimo. Tačiau ir apie prieinamumą.
Ilja Khelis
