Най-големият урок на Айнщайн по обща теория на относителността е, че самото пространство не е плоско, непроменено и абсолютно. Той е вплетен заедно с времето в една тъкан: пространство-време. Тази тъкан е непрекъсната, гладка и се огъва и деформира в присъствието на материя и енергия. Всичко, което съществува в това пространство-време, се движи по път, определен от кривината на пространството-време и движението му е ограничено от скоростта на светлината. Но какво, ако има дефекти в самата тъкан? Това не е научна фантастика, а наистина съществуваща идея в теоретичната физика. С нея са свързани високоенергийни реликви като доменни стени, космически струни и монополи. Итън Сийгъл от Medium.com се опита да отговори на въпроса какъв е техният произход, свойства и как ще се разбират с нормалната Вселена.
Оказа се, че получаването на дефектна Вселена не е толкова трудно математически.
Гравитационното поведение на Земята в орбита не се дължи на невидима гравитационна гравитация, но е по-добре описано от Земята, свободно падаща през извито пространство в присъствието на Слънцето. Дори и в този случай кривината на пространството ще бъде твърде малка и няма да има дефекти в нея.
Опитайте се да представите пространството възможно най-добре. Как изглежда? Ще бъде ли празен, гладък и най-вече еднороден? Мислите ли също, че единствените отклонения от това състояние ще бъдат свързани с наличието на маси и кванти на енергия? Това е добър подход, който обикновено прилагат физиците. В голям мащаб пространството ще бъде триизмерна мрежа, единствените отклонения в която ще бъдат малки области на пространствена кривина с малка величина, създаващи гравитационната сила, която добре познаваме. Пространството в тази конфигурация ще бъде в състояние на най-малко енергия.
Тъканта на пространствено-времеви вълни и изкривявания поради масата. Доколкото знаем, пространството никога не се сгъва в себе си и никога не се сгъва.
Но какво да кажем за възбудените състояния? Или други? За да го улесним, нека извадим две пространствени измерения и оставим едно: линията. Линията може да бъде права, отворена и безкрайна или затворена, като цикъл. И в двата случая те ще бъдат линии в състояние на най-малко енергия. Какво би било високо енергийно състояние? Представете си да вземете линията си и да я окачите като струна. Сега направете възел на връвта, сякаш връзвате връзки. Струна без възел ще представлява едномерно пространство в най-ниското енергийно състояние; низ с един възел ще представлява едномерно пространство в първото възбудено състояние. Този възел ще бъде 0-измерен топологичен дефект.
Сега можете да направите някои интересни неща с линията, съдържаща възела. Можете да завържете друг възел по същия начин и да получите два топологични дефекта вместо един. Но ако завържете възел в обратна посока (т.е. направете същия цикъл, но в противен случай пресечете краищата, преди да хвърлите и затегнете), този възел ще бъде топологично противоположен на оригиналния възел. Ако много внимателно подравните двата възела (оригиналния и противоположния), се оказва, че те могат да се развържат помежду си и да върнат линията в състояние на ниска енергия.
Промоционално видео:
Два вида от тези нулемерни ефекти - възел и антивъзел - имат физически аналогии в нашата Вселена: магнитни монополи. Възелът съответства на изолиран магнитен северен полюс; анти-възел към изолирания южен магнитен полюс. Ако ги комбинирате, те унищожават, подобно на материя и антиматерия, и връщат тъканта на пространство-времето в ниско енергийно състояние. Тъй като монополите са само точкови частици, те ще се държат като обикновена материя, не много по-различно от електрическите монополи (положителни и отрицателни електрически заряди), които съществуват във нашата Вселена.
Концепцията за магнитен монопол, излъчващ линии на магнитно поле по същия начин, по който изолиран електрически заряд би излъчвал линии на електрическо поле
Така че нека се върнем към нашата 3D вселена. Сега можете да си представите не само точни дефекти, но и дефекти с големи размери:
- Космически струни: когато едномерна линия по някакъв начин прониква в цялата наблюдаема Вселена
- Доменни стени: когато двуизмерна равнина с различни свойства от едната страна до другата преминава през Вселената
- Космически текстури: когато област от триизмерното пространство е усукана на възли
И така, имаме монополи (0-измерни), струни (1-измерни), стени (2-измерни) и текстури (3-измерни) - всякакви дефекти, възникващи от различни механизми от един и същи клас: когато симетрията е нарушена.
Различията между вселените, една създадена съгласно стандартната космология (вляво) и една, създадена със значителна мрежа от топологични дефекти (вдясно), пораждат разнообразни мащабни структури. Нашите наблюдения са достатъчни, за да се изключат космическите струни и доменните стени като доминиращ компонент на съвременната Вселена.
Нарушаването на симетрията е сериозен въпрос във физиката. Всяка съществуваща симетрия съответства на съхранена стойност, така че ако симетрията е нарушена, тази стойност вече не се съхранява. Монополи могат да се получат чрез нарушаване на сферичната симетрия; струните могат да бъдат получени чрез нарушаване на ъглова или цилиндрична симетрия; нарушаването на дискретна симетрия може да създаде домейн стени. Други дефекти са малко по-трудни за намиране, но те често влизат в сила, когато става въпрос за сценарии с допълнителни измерения. Но първите три - по-специално монополите, космическите струни и доменните стени - представляват особен интерес за космологията.
Знаем, че всичко не се ограничава до стандартния модел и има много разширения и допълнения, които могат да имат интересни наблюдаеми последици. Една от тях е идеята за Великото обединение, когато електромагнитни, слаби и силни ядрени сили се комбинират при високи енергии. Идеята зад обединението е, че и трите сили на Стандартния модел и може би дори високоенергийната гравитация могат да бъдат обединени в една структура. Това не само би довело до появата на нови частици и взаимодействия, но и би позволило появата на магнитни монополи. Липсата на магнитни монополи в наблюдаваната Вселена често се цитира като доказателство за космическа инфлация и че Вселената никога няма да се нагрее достатъчно след края на инфлацията, за да възстанови симетрията на Великите теории за обединение.
Ако симетрията, която осигурява Голямото обединение, бъде нарушена, ще се появи колосален брой магнитни монополи. Но те не са в нашата Вселена; ако космическата инфлация се случи след нарушаване на тази симетрия, поне един монопол трябва да остане в наблюдаваната вселена
Космическите струни и домейн стените могат да се появят по време на фазовите преходи, ако наистина са съществували, скоро след края на инфлацията. Възможно е да има някои изключително енергийни симетрии, образувани в ранните времена, когато се нарушат, се появяват подобни дефекти. Космическите низове и домейн стени - една или цяла мрежа - ще трябва да оставят подпис в мащабната структура на Вселената, текстури ще се появят в CMB и монополи ще трябва да бъдат създадени чрез директни експерименти. Някои физици посочват магнитния монопол, открит на 14 февруари 1982 г., като доказателство за космическа инфлация: в наблюдаваната Вселена е имало един монопол и ние го видяхме!
През 1982 г. експеримент, воден от Блас Кабрера, въоръжен с осем жици, регистрира промяна в потока от осем магнетона: показания, показващи магнитен монопол. За съжаление по време на откриването никой не е бил наблизо и никой не е успял да възпроизведе резултата, както и да намери друг монопол
И ако монополите се държат като материя, космическите струни, домейн стените или космологичните текстури ще повлияят сериозно на разширяването на Вселената. Космическите струни ще се държат като пространствена кривина, ограничена до около 0,4% от общата енергийна плътност, а доменните стени ще създадат форма на тъмна енергия, която ускорява разширяването на Вселената толкова бавно, че дори няма да бъде забелязана. Космологичните текстури ще имат същия ефект като космологичната константа, но нашата наблюдаема Вселена ще трябва да бъде ограничена до един единствен дефект, за да обясни нашите наблюдения.
Различни компоненти на енергийната плътност на Вселената и кога биха могли да се проявят с пълна сила. Ако космически струни или доменни стени съществуват в каквото и да е количество, те биха повлияли сериозно на разширяването на нашата Вселена.
Монополите, струните, стените, текстурите и други дефекти трябва да са изключително тежки, ако са съществували. Монополите биха били най-масивните частици, откривани някога (100 трилиона пъти по-масивни от горния кварк). Струните, стените и текстурите биха се превърнали в семена за мащабни структури, събирайки материал заедно и образувайки други структури, които лесно можем да видим с модерни телескопи, проучвания и CMB данни. Настоящите ограничения ни казват, че такива структури не съществуват в изобилие и едва ли биха представлявали повече от няколко процента от общия енергиен бюджет на космоса.
Към днешна дата няма доказателства, че нашата Вселена е дефектна, освен това единично наблюдение на магнитен монопол преди 35 години. Въпреки че не можем да опровергаем тяхното съществуване (само ограничение), трябва да държим ушите си отгоре и да сме подготвени не само за тяхното възможно откриване, но и за всякакви други допълнения към Стандартния модел, които не са забранени от физиката. В повечето случаи, ако те не съществуват, тогава трябва да има нещо, което да потиска тяхното съществуване. Липсата на доказателства не показва липсата на явлението. Обаче и относно наличността също.
Иля Хел