Einšteina vispārējās relativitātes teorijas lielākā mācība ir tāda, ka pati telpa nav plakana, nemainīga un absolūta vienība. Tas ir austi kopā ar laiku vienā audumā: laiktelpā. Šie audi ir nepārtraukti, gludi un materiāla un enerģijas klātbūtnē kļūst saliekti un deformēti. Viss, kas pastāv šajā laiktelpā, pārvietojas pa ceļu, ko nosaka telpas laika izliekums, un tā kustību ierobežo gaismas ātrums. Bet ko tad, ja pašā audumā ir defekti? Šī nav zinātniskā fantastika, bet teorētiskajā fizikā patiešām pastāvoša ideja. Ar to saistītas tādas augstas enerģijas relikvijas kā domēna sienas, kosmiskās stīgas un monopoli. Ītans Sīgels no Medium.com mēģināja atbildēt uz jautājumu, kāda ir viņu izcelsme, īpašības un kā viņi sadzīvos ar parasto Visumu.
Izrādījās, ka iegūt bojātu Visumu nav tik grūti matemātiski.
Zemes gravitācijas uzvedība orbītā nav saistīta ar neredzamu gravitācijas gravitāciju, bet to labāk raksturo Zeme, kas brīvi krīt caur izliektu telpu Saules klātbūtnē. Pat šajā gadījumā telpas izliekums būs pārāk mazs, un tajā nebūs defektu.
Mēģiniet pārstāvēt telpu pēc iespējas labāk. Kā tas izskatās? Vai tas būs tukšs, gluds un galvenokārt vienveidīgs? Vai jūs arī domājat, ka vienīgās novirzes no šī stāvokļa būs saistītas ar masu klātbūtni un enerģijas kvantiem? Šī ir laba pieeja, ko parasti izmanto fiziķi. Plašā mērogā telpa būs trīsdimensiju režģis, vienīgās novirzes, kurās būs nelieli neliela izmēra telpiskā izliekuma reģioni, radot labi zināmu gravitācijas spēku. Vieta šajā konfigurācijā būs vismazākās enerģijas stāvoklī.
Telpas laika audums viļņojas un deformējas masas dēļ. Cik zināms, telpa nekad nelokās sevī un nelocās.
Bet kā ar satraukti stāvokļiem? Vai citi? Lai to atvieglotu, atņemsim divus telpiskos izmērus un atstāsim vienu: līniju. Līnija var būt taisna, atvērta un bezgalīga, vai slēgta, piemēram, cilpa. Abos gadījumos tās būs līnijas zemākajā enerģijas stāvoklī. Kāds būtu augstas enerģijas stāvoklis? Iedomājieties, ka paņemat savu līniju un pakārt to kā auklu. Tagad izveidojiet mezglu uz auklas, it kā jūs piesietu mežģīnes. Virkne bez mezgla attēlos viendimensionālu telpu zemākajā enerģijas stāvoklī; virkne ar vienu mezglu attēlos viendimensionālu telpu pirmajā ierosinātajā stāvoklī. Šis mezgls būs 0 dimensiju topoloģisks defekts.
Tagad jūs varat izdarīt dažas interesantas lietas ar līniju, kurā ir mezgls. Tādā pašā veidā jūs varat sasiet citu mezglu un iegūt divus topoloģiskos defektus, nevis vienu. Bet, ja jūs sasienat mezglu pretējā virzienā (tas ir, izveidojiet to pašu cilpu, bet citādi sakrustojiet galus pirms mētāšanas un pievilkšanas), šis mezgls būs topoloģiski pretējs sākotnējam mezglam. Ja jūs ļoti uzmanīgi izlīdzināt abus mezglus (oriģinālos un pretējos), izrādās, ka tie var viens otru atraisīt un atgriezt līniju zemas enerģijas stāvoklī.
Reklāmas video:
Diviem šo nulles dimensiju efektu veidiem - mezglam un pret mezglu - ir fiziskas analoģijas mūsu Visumā: magnētiskie monopoli. Mezgls atbilst izolētam magnētiskam ziemeļu polam; anti-mezgls uz izolēto dienvidu magnētisko polu. Ja jūs tos apvienojat, tie iznīcina, piemēram, matērija un antimatērija, un kosmosa laika audumu atgriež zemas enerģijas stāvoklī. Tā kā monopoli ir tikai punktveida daļiņas, viņi izturēsies kā parasta viela, kas daudz neatšķiras no elektriskajiem monopoliem (pozitīvajiem un negatīvajiem elektriskajiem lādiņiem), kas pastāv mūsu Visumā.
Magnētiskā monopola koncepcija, kas izstaro magnētiskā lauka līnijas tādā pašā veidā, kā izolēts elektriskais lādiņš izstaro elektriskā lauka līnijas
Atgriezīsimies savā 3D Visumā. Tagad jūs varat iedomāties ne tikai punktu defektus, bet arī augstas dimensijas defektus:
- Kosmiskās stīgas: kad viendimensionāla līnija kaut kādā veidā caurstrāvo visu novērojamo Visumu
- Domēna sienas: kad Visumu šķērso divdimensiju plakne ar dažādām īpašībām no vienas puses uz otru
- Kosmosa faktūras: kad trīsdimensiju telpas laukums ir savīts mezglos
Tātad, mums ir monopoli (0 dimensiju), virknes (1 dimensiju), sienas (2 dimensiju) un faktūras (3 dimensiju) - visa veida defekti, kas rodas no vienas un tās pašas klases dažādiem mehānismiem: kad simetrija ir salauzta.
Atšķirības starp Visumiem, kas izveidoti saskaņā ar standarta kosmoloģiju (pa kreisi) un kas izveidoti ar ievērojamu topoloģisko defektu tīklu (pa labi), rada dažādas liela mēroga struktūras. Mūsu novērojumi ir pietiekami, lai izslēgtu kosmiskās stīgas un domēna sienas kā mūsdienu Visuma dominējošo komponentu.
Simetrijas laušana ir nopietna fizikas problēma. Katra esošā simetrija atbilst saglabātai vērtībai, tādēļ, ja simetrija ir salauzta, šī vērtība vairs netiek saglabāta. Monopoles var ražot, laužot sfērisko simetriju; stīgas var ražot, laužot leņķisko vai cilindrisko simetriju; diskrētas simetrijas pārkāpums var radīt domēna sienas. Citus defektus ir nedaudz grūtāk atrast, taču tie bieži tiek izmantoti, kad runa ir par scenārijiem ar papildu dimensijām. Bet pirmie trīs - it īpaši monopoli, kosmiskās virknes un domēna sienas - īpaši interesē kosmoloģiju.
Mēs zinām, ka visu neierobežo standarta modelis, un ir daudz paplašinājumu un papildinājumu, kuriem var būt interesantas novērojamas sekas. Viena no tām ir Lielās apvienošanās ideja, kad pie lielām enerģijām apvienojas elektromagnētiskie, vājie un spēcīgie kodolspēki. Apvienošanās ideja ir tāda, ka visus trīs standarta modeļa spēkus un, iespējams, pat augstas enerģijas gravitāciju varētu apvienot vienā struktūrā. Tas ne tikai novestu pie jaunu daļiņu un mijiedarbības parādīšanās, bet arī ļautu parādīties magnētiskiem monopoliem. Magnētisko monopolu trūkums novērojamajā Visumā bieži tiek minēts kā kosmiskās inflācijas pierādījums un ka Visums pēc inflācijas beigām nekad nekļūs pietiekami karsts, lai atjaunotu Lielo apvienošanās teoriju simetriju.
Ja simetrija, kas nodrošina Lielo apvienošanos, būtu salauzta, parādītos milzīgs skaits magnētisko monopolu. Bet tie nav mūsu Visumā; ja kosmiskā inflācija notiktu pēc šīs simetrijas pārtraukšanas, vismaz vienam monopolam būtu jāpaliek novērojamā Visumā
Kosmiskās virknes un domēna sienas varētu parādīties fāžu pārejas laikā, ja tās patiešām pastāvētu, drīz pēc inflācijas beigām. Var būt dažas ārkārtīgi augstas enerģijas simetrijas, kas izveidojušās agrīnā laikā, kad parādās salauzti līdzīgi defekti. Kosmiskām virknēm un domēna sienām - vienam vai visam tīklam - būtu jāatstāj paraksts Visuma plaša mēroga struktūrā, CMB parādīsies faktūras, un tiešos eksperimentos būtu jāizveido monopoli. Daži fiziķi norāda uz magnētisko monopolu, kas atklāts 1982. gada 14. februārī kā kosmiskās inflācijas pierādījums: novērojamajā Visumā bija viens monopols, un mēs to redzējām!
1982. gadā Blasa Kabrera vadītajā eksperimentā, kas bija bruņots ar astoņiem stieples pagriezieniem, tika reģistrēta astoņu magnētu plūsmas maiņa: rādījumi, kas norāda uz magnētisko monopolu. Diemžēl atklāšanas laikā neviena nebija tuvumā un neviens nespēja reproducēt rezultātu, kā arī atrast citu monopolu
Un, ja monopoli izturas kā matērija, kosmiskās virknes, domēna sienas vai kosmoloģiskās faktūras nopietni ietekmēs Visuma paplašināšanos. Kosmiskās virknes izturēsies kā telpiski izliektas, ierobežotas līdz aptuveni 0,4% no kopējā enerģijas blīvuma, un domēna sienas radīs tumšās enerģijas formu, kas paātrina Visuma izplešanos tik lēni, ka tā pat nebūs pamanāma. Kosmoloģiskajām faktūrām būs tāds pats efekts kā kosmoloģiskajai konstantei, taču mūsu novērojamais Visums būs jāierobežo ar vienu defektu, lai izskaidrotu mūsu novērojumus.
Dažādi Visuma enerģijas blīvuma komponenti un kad tie varētu izpausties pilnā spēkā. Ja kosmiskās virknes vai domēna sienas eksistētu jebkurā daudzumā, tās nopietni ietekmētu mūsu Visuma paplašināšanos.
Monopoliem, stīgām, sienām, faktūrām un citiem defektiem vajadzētu būt īpaši smagiem, ja tādi pastāvēja. Monopoli būtu vismasīvākās daļiņas, kādas jebkad atklātas (100 triljonus reižu masīvākas nekā augšējais kvarks). Stīgas, sienas un faktūras kļūtu par sēkliņām liela mēroga konstrukcijām, kas savestu materiālu kopā un izveidotu citas struktūras, kuras mēs viegli varam redzēt ar moderniem teleskopiem, aptaujām un CMB datiem. Mūsdienu ierobežojumi mums saka, ka šādu struktūru nav daudz, un tās diez vai veidotu vairāk nekā dažus procentus no kopējā kosmosa enerģijas budžeta.
Līdz šim nekas neliecina par to, ka mūsu Visums ir bojāts, izņemot vienīgo magnētiskā monopola novērojumu pirms 35 gadiem. Lai gan mēs nevaram atspēkot to esamību (tikai ierobežojums), mums ir jātur ausis augšā un jābūt gataviem ne tikai to iespējamai noteikšanai, bet arī jebkuriem citiem standarta modeļa papildinājumiem, kurus fizika neaizliedz. Vairumā gadījumu, ja tādu nav, ir jābūt kaut kam, kas nomāc viņu eksistenci. Pierādījumu trūkums neliecina par parādības neesamību. Tomēr un par pieejamību arī.
Iļja Khels