Einsteinova největší lekce obecné relativity spočívá v tom, že samotný vesmír není plochý, neměnný a absolutní. Je tkaná společně s časem do jedné látky: časoprostoru. Tato tkáň je spojitá, hladká a v přítomnosti hmoty a energie se ohýbá a deformuje. Všechno, co existuje v tomto časoprostoru, se pohybuje po dráze určené zakřivením časoprostoru a jeho pohyb je omezen rychlostí světla. Ale co když jsou vady samotné látky? Toto není sci-fi, ale skutečně existující myšlenka v teoretické fyzice. S tím jsou spojeny vysokoenergetické památky, jako jsou doménové zdi, kosmické řetězce a monopoly. Ethan Siegel z Medium.com se pokusil odpovědět na otázku, jaký je jejich původ, vlastnosti a jak si budou rozumět s obyčejným vesmírem.
Ukázalo se, že získání vadného vesmíru není matematicky tak obtížné.
Gravitační chování Země na oběžné dráze není způsobeno neviditelnou gravitační gravitací, ale je lépe popsáno tím, že Země volně prochází zakřiveným prostorem v přítomnosti Slunce. I v tomto případě bude zakřivení prostoru příliš malé a nebudou v něm žádné vady.
Pokuste se reprezentovat prostor co nejlépe. Jak to vypadá? Bude to prázdné, hladké a většinou jednotné? Myslíte si také, že jediné odchylky od tohoto stavu budou spojeny s přítomností hmot a kvant energie? To je dobrý přístup, který fyzici obvykle používají. Ve velkém měřítku bude prostor trojrozměrná mřížka, jediné odchylky, ve kterých budou malé oblasti prostorového zakřivení malé velikosti, vytvářející gravitační sílu, kterou dobře známe. Prostor v této konfiguraci bude ve stavu nejméně energie.
Tkanina časoprostoru se vlní a deformuje kvůli hmotě. Pokud víme, prostor se nikdy neskládá do sebe ani se neohýbá.
Ale co vzrušené státy? Nebo jiní? Abychom to usnadnili, odečtěte dvě prostorové dimenze a jednu ponechejte: přímku. Linka může být rovná, otevřená a nekonečná nebo uzavřená jako smyčka. V obou případech to budou čáry ve stavu nejnižší energie. Jaký by byl stav s vysokou energií? Představte si, že vezmete svoji šňůru a pověsíte ji jako provázek. Nyní udělejte uzel na provázku, jako kdybyste vázali tkaničky. Řetězec bez uzlu bude představovat jednorozměrný prostor ve stavu nejnižší energie; řetězec s jedním uzlem bude představovat jednorozměrný prostor v prvním vzrušeném stavu. Tento uzel bude 0-dimenzionální topologická vada.
Nyní můžete s řádkem obsahujícím uzel udělat několik zajímavých věcí. Stejným způsobem můžete uvázat další uzel a místo jedné získat dvě topologické vady. Pokud ale uzel uvázáte v opačném směru (tj. Vytvoříte stejnou smyčku, ale jinak budete házet konce před házením a utažením), bude tento uzel topologicky opačný k původnímu uzlu. Pokud velmi pečlivě zarovnáte oba uzly (původní a protilehlé), ukáže se, že se mohou navzájem rozvázat a vrátit linku do stavu nízké energie.
Propagační video:
Dva typy těchto nulových dimenzionálních efektů - uzel a anti-uzel - mají fyzické analogie v našem vesmíru: magnetické monopoly. Uzel odpovídá izolovanému magnetickému severnímu pólu; anti-uzel na izolovaný jižní magnetický pól. Pokud je zkombinujete, zničí je jako hmota a antihmota a vrátí strukturu časoprostoru do stavu nízké energie. Vzhledem k tomu, že monopoly jsou jen bodové částice, budou se chovat jako obyčejná hmota, příliš se neliší od elektrických monopolů (kladných a záporných elektrických nábojů), které existují v našem vesmíru.
Koncept magnetického monopolu emitujícího čáry magnetického pole stejným způsobem, jakým by izolovaný elektrický náboj vyzařoval čáry elektrického pole
Vraťme se tedy zpět do našeho 3D vesmíru. Nyní si můžete představit nejen bodové vady, ale také vady vysoké dimenze:
- Kosmické řetězce: když jednorozměrná čára nějakým způsobem proniká celým pozorovatelným vesmírem
- Stěny domén: když vesmírem prochází dvourozměrná rovina s různými vlastnostmi z jedné strany na druhou
- Textury prostoru: když je oblast trojrozměrného prostoru stočena do uzlů
Takže máme monopoly (0-dimenzionální), řetězce (1-dimenzionální), stěny (2-dimenzionální) a textury (3-dimenzionální) - všechny druhy defektů, které vznikají z různých mechanismů stejné třídy: při porušení symetrie.
Rozdíly mezi vesmíry, jedním vytvořeným podle standardní kosmologie (vlevo) a druhým vytvořeným se významnou sítí topologických vad (vpravo), vytvářejí celou řadu rozsáhlých struktur. Naše pozorování stačí k vyloučení kosmických řetězců a doménových zdí jako dominantní složky moderního vesmíru.
Lámání symetrie je ve fyzice vážná věc. Každá existující symetrie odpovídá uložené hodnotě, takže pokud je symetrie přerušená, tato hodnota se již neukládá. Monopoly lze vyrobit rozbitím sférické symetrie; řetězce mohou být produkovány zlomením úhlové nebo válcové symetrie; narušení diskrétní symetrie může vytvořit doménové zdi. Jiné defekty jsou o něco obtížnější najít, ale často přicházejí do hry, pokud jde o scénáře s dalšími rozměry. Ale první tři - zejména monopoly, kosmické řetězce a stěny domén - jsou pro kosmologii zvláště zajímavé.
Víme, že vše není omezeno na standardní model a existuje mnoho rozšíření a doplňků, které mohou mít zajímavé pozorovatelné důsledky. Jednou z nich je myšlenka Velkého sjednocení, kdy se elektromagnetické, slabé a silné jaderné síly spojují při vysokých energiích. Myšlenkou sjednocení je, že všechny tři síly standardního modelu a možná i gravitace při vysokých energiích by mohly být spojeny do jedné struktury. To by nejen vedlo ke vzniku nových částic a interakcí, ale také by to umožnilo vznik magnetických monopolů. Nedostatek magnetických monopolů ve pozorovatelném vesmíru je často uváděn jako důkaz kosmické inflace a toho, že se vesmír po skončení inflace nikdy dostatečně nezahřeje, aby obnovil symetrii teorií Velkého sjednocení.
Pokud by byla narušena symetrie zajišťující Velké sjednocení, objevilo by se kolosální množství magnetických monopolů. Ale nejsou v našem vesmíru; pokud by došlo k narušení kosmické inflace po rozbití této symetrie, musel by v pozorovatelném vesmíru zůstat alespoň jeden monopol
Kosmické řetězce a stěny domén se mohly objevit během fázových přechodů, pokud skutečně existovaly, brzy po skončení inflace. Mohou existovat extrémně vysokoenergetické symetrie v raných dobách, kdy se tyto vady rozbijí. Kosmické řetězce a doménové stěny - jedna nebo celá síť - by musely zanechat podpis ve velkoplošné struktuře vesmíru, textury by se objevily v CMB a monopoly by musely být vytvořeny přímým experimentováním. Někteří fyzici poukazují na magnetický monopol, který byl objeven 14. února 1982 jako důkaz kosmické inflace: v pozorovatelném vesmíru byl jeden monopol a my jsme ho viděli!
V roce 1982 zaznamenal experiment vedený Blasem Cabrerou vyzbrojeným osmi závity drátu změnu toku osmi magnetonů: hodnoty indikující magnetický monopol. Bohužel v době objevení nebyl nikdo poblíž a nikdo nebyl schopen reprodukovat výsledek, stejně jako najít jiný monopol
A pokud se monopoly chovají jako hmota, kosmické řetězce, stěny domén nebo kosmologické textury vážně ovlivní rozpínání vesmíru. Kosmické řetězce se budou chovat jako prostorové zakřivení, omezené na přibližně 0,4% celkové hustoty energie, a stěny domény vytvoří formu temné energie, která zrychluje rozpínání vesmíru tak pomalu, že si toho ani nikdo nevšimne. Kosmologické textury budou mít stejný účinek jako kosmologická konstanta, ale náš pozorovatelný vesmír bude muset být omezen na jednu vadu, aby vysvětlil naše pozorování.
Různé složky energetické hustoty vesmíru a kdy se mohly projevit v plné síle. Pokud by kosmické řetězce nebo stěny domén existovaly v jakémkoli množství, vážně by to ovlivnilo expanzi našeho vesmíru.
Monopoly, struny, stěny, textury a další vady by měly být super těžké, pokud existují. Monopoly by byly nejmohutnější částice, jaké byly kdy objeveny (100 bilionkrát hmotnější než top kvark). Řetězce, stěny a textury by se staly semenem velkých struktur, které by spojovaly materiál a vytvářely další struktury, které můžeme snadno vidět pomocí moderních dalekohledů, průzkumů a dat CMB. Moderní omezení nám říkají, že takové struktury neexistují v hojnosti a stěží by představovaly více než několik procent z celkového energetického rozpočtu vesmíru.
Doposud neexistují žádné důkazy o tom, že by náš vesmír byl vadný, kromě jediného pozorování magnetického monopolu před 35 lety. I když nemůžeme vyvrátit jejich existenci (pouze limit), musíme držet uši nahoře a být připraveni nejen na jejich možnou detekci, ale také na jakékoli další doplňky standardního modelu, které fyzika nezakazuje. Ve většině případů, pokud neexistují, musí existovat něco, co potlačuje jejich existenci. Nedostatek důkazů nenaznačuje absenci jevu. Nicméně a také o dostupnosti.
Ilya Khel