Einsteinova največja lekcija iz splošne relativnosti je, da sam prostor ni ravno, nespremenljivo in absolutno. Spleten je s časom v eno tkanino: prostor-čas. To tkivo je neprekinjeno, gladko in se v prisotnosti snovi in energije postane upognjeno in deformirano. Vse, kar obstaja v tem prostoru-času, se premika po poti, ki jo določa ukrivljenost prostora-časa, njegovo gibanje pa je omejeno s svetlobno hitrostjo. Kaj pa, če so na tkanini napake? To ni znanstvena fantastika, ampak resnično obstoječa ideja v teoretični fiziki. Z njo so povezane visokoenergijske relikvije, kot so domenske stene, kozmične strune in monopoli. Ethan Siegel iz Medium.com je poskušal odgovoriti na vprašanje, kakšen je njihov izvor, lastnosti in kako se bodo razumeli z običajnim vesoljem.
Izkazalo se je, da pridobivanje pokvarjenega vesolja matematično ni tako težko.
Gravitacijsko obnašanje Zemlje v orbiti ni posledica nevidne gravitacijske gravitacije, temveč jo bolje opiše Zemlja, ki v prisotnosti Sonca prosto pada skozi ukrivljeni prostor. Tudi v tem primeru bo ukrivljenost prostora premajhna in v njej ne bo napak.
Poskusite predstaviti prostor čim bolje. Kako izgleda? Bo prazen, gladek in večinoma enakomeren? Ali tudi vi mislite, da bodo edina odstopanja od tega stanja povezana s prisotnostjo mas in količin energije? To je dober pristop, ki ga fiziki običajno uporabljajo. V velikem obsegu bo vesolje tridimenzionalna mreža, edina odstopanja pa bodo majhna območja prostorske ukrivljenosti majhne velikosti, ki ustvarjajo gravitacijsko silo, ki jo dobro poznamo. Prostor v tej konfiguraciji bo v stanju najmanj energije.
Tkanina vesoljsko-valovanja in mase zaradi mase. Kolikor vemo, se prostor nikoli ne zloži vase ali se upogne.
Kaj pa vznemirjena stanja? Ali drugi? Za lažje odštevanje dveh prostorskih dimenzij pustimo eno: črto. Črta je lahko ravna, odprta in neskončna ali zaprta, kot zanka. V obeh primerih bodo to linije v stanju z najnižjo energijo. Kakšno bi bilo visokoenergijsko stanje? Predstavljajte si, da vzamete svojo črto in jo obesite kot vrvico. Zdaj naredite vozel na vrvici, kot da bi zavezali vezalke. Niz brez vozla bo predstavljal enodimenzionalen prostor v stanju z najnižjo energijo; niz z enim vozlom bo predstavljal enodimenzionalen prostor v prvem vzbujenem stanju. To vozlišče bo 0-dimenzionalna topološka napaka.
Zdaj lahko naredite nekaj zanimivih stvari s črto, ki vsebuje vozlišče. Na enak način lahko zavežete še en vozel in namesto enega dobite dve topološki napaki. Če pa vozel privežete v nasprotno smer (torej naredite isto zanko, sicer pa prečkate konce pred metanjem in zategovanjem), bo ta vozel topološko nasproten prvotnemu vozlu. Če zelo natančno poravnate oba vozla (originalni in nasprotni), se izkaže, da se lahko med seboj odvežeta in vrv vrneta v stanje nizke energije.
Promocijski video:
Dve vrsti teh ničdimenzionalnih učinkov - vozel in anti-vozel - imata v našem vesolju fizične analogije: magnetni monopoli. Vozlišče ustreza izoliranemu magnetnemu severnemu polu; proti vozlišču na izolirani južni magnetni pol. Če jih združite, uničijo, tako kot snov in antimaterija, in vrnejo tkivo prostora-časa v nizkoenergijsko stanje. Ker so monopoli le točkasti delci, se bodo obnašali kot običajna snov, ki se ne bo bistveno razlikovala od električnih monopolov (pozitivni in negativni električni naboji), ki obstajajo v našem vesolju.
Koncept magnetnega monopola, ki oddaja črte magnetnega polja na enak način, kot bi izolirani električni naboj oddajal črte električnega polja
Vrnimo se torej k našemu 3D vesolju. Zdaj si lahko predstavljate ne le točkovne napake, temveč tudi visoko dimenzijske napake:
- Kozmične strune: kadar enodimenzionalna črta na nek način prežema celotno opazovano vesolje
- domenske stene: ko skozi vesolje prehaja dvodimenzionalna ravnina z različnimi lastnostmi z ene strani na drugo
- Teksture prostora: ko je območje tridimenzionalnega prostora zavito v vozle
Torej imamo monopole (0-dimenzionalne), strune (1-dimenzionalne), stene (2-dimenzionalne) in teksture (3-dimenzionalne) - vse vrste napak, ki izhajajo iz različnih mehanizmov istega razreda: ko je simetrija porušena.
Razlike med vesolji, ki je bilo ustvarjeno v skladu s standardno kozmologijo (levo) in tisto, ustvarjeno s pomembno mrežo topoloških napak (desno), povzročajo številne obsežne strukture. Naša opažanja so dovolj, da izključimo kozmične strune in domenske stene kot prevladujočo komponento sodobnega vesolja.
Prekinitev simetrije je v fiziki resna zadeva. Vsaka obstoječa simetrija ustreza shranjeni vrednosti, zato, če je simetrija prekinjena, ta vrednost ni več shranjena. Monopole lahko dobimo z lomljenjem sferične simetrije; strune lahko dobimo z lomljenjem kotne ali valjaste simetrije; kršitev diskretne simetrije lahko ustvari domenske stene. Druge napake je nekoliko težje najti, vendar pogosto pridejo v poštev, ko gre za scenarije z dodatnimi dimenzijami. Toda prvi trije - zlasti monopoli, kozmični nizi in domenske stene - so še posebej zanimivi za kozmologijo.
Vemo, da vse ni omejeno na standardni model in obstaja veliko razširitev in dodatkov, ki imajo lahko zanimive opazne posledice. Ena izmed njih je ideja o velikem združenju, ko se elektromagnetne, šibke in močne jedrske sile združujejo pri visokih energijah. Ideja, ki stoji za združitvijo, je, da bi lahko vse tri sile Standardnega modela in morda celo visokoenergijsko gravitacijo združili v eno samo strukturo. To ne bi privedlo le do pojava novih delcev in interakcij, temveč bi omogočilo tudi pojav magnetnih monopolov. Pomanjkanje magnetnih monopolov v opazovanem vesolju je pogosto navedeno kot dokaz kozmične inflacije in da se vesolje po koncu inflacije nikoli ne bo dovolj ogrelo, da bi obnovilo simetrijo teorij velikega poenotenja.
Če bi bila simetrija, ki zagotavlja Veliko združitev, prekinjena, bi se pojavilo ogromno število magnetnih monopolov. Niso pa v našem vesolju; če bi po prekinitvi te simetrije prišlo do kozmične inflacije, bi moral vsaj en monopol ostati v opazovanem vesolju
Kozmični nizi in domenske stene bi se lahko pojavili med faznimi prehodi, če bi res obstajali, kmalu po koncu inflacije. Obstajajo nekatere izjemno visokoenergijske simetrije, oblikovane v zgodnjih časih, ko se takšne napake zlomijo. Kozmični nizi in domenske stene - eno ali celo omrežje - bi morali pustiti podpis v obsežni strukturi vesolja, teksture bi se pojavile v CMB, monopole pa bi bilo treba ustvariti z neposrednimi poskusi. Nekateri fiziki opozarjajo na magnetni monopol, odkrit 14. februarja 1982, kot dokaz kozmične inflacije: v opazovanem vesolju je bil en monopol in videli smo ga!
Leta 1982 je eksperiment, ki ga je vodil Blas Cabrera, oborožen z osmimi zavoji žice, zabeležil spremembo pretoka osmih magnetonov: odčitki, ki kažejo na magnetni monopol. Na žalost v času odkritja nihče ni bil v bližini in nihče ni mogel reproducirati rezultata, pa tudi najti drugega monopola
In če se monopoli obnašajo kot snov, bodo kozmični nizi, domenske stene ali kozmološke teksture resno vplivali na širjenje vesolja. Kozmični nizi se bodo obnašali kot prostorska ukrivljenost, omejena na približno 0,4% celotne gostote energije, domenske stene pa bodo ustvarile obliko temne energije, ki pospešuje širjenje vesolja tako počasi, da je sploh ni mogoče opaziti. Kozmološke teksture bodo imele enak učinek kot kozmološka konstanta, vendar bo naše vesolje, ki ga bomo opazovali, za razlago naših opazovanj omejeno na eno samo napako.
Različne komponente energijske gostote vesolja in kdaj se lahko manifestirajo v polni moči. Če bi bili kozmični nizi ali domenske stene v kakršni koli količini, bi to resno vplivalo na širitev našega vesolja.
Monopoli, vrvice, stene, teksture in druge napake bi morali biti zelo težki, če bi obstajali. Monopoli bi bili najbolj masivni delci, ki so jih kdaj odkrili (100 bilijonov krat bolj masivni kot zgornji kvark). Strune, stene in teksture bi postali seme za obsežne strukture, ki bi vlekli material skupaj in tvorili druge strukture, ki jih zlahka vidimo s sodobnimi teleskopi, raziskavami in CMB podatki. Trenutne omejitve nam govorijo, da takšnih struktur ni v izobilju in bi težko predstavljale več kot nekaj odstotkov celotnega energetskega proračuna vesolja.
Do danes ni nobenega dokaza, da je naše vesolje okvarjeno, razen tistega enega samega opazovanja magnetnega monopola pred 35 leti. Čeprav ne moremo ovreči njihovega obstoja (samo omejitev), moramo imeti ušesa zgoraj in biti pripravljeni ne le na njihovo morebitno zaznavanje, temveč tudi na vse druge dodatke k Standardnemu modelu, ki jih fizika ne prepoveduje. Če v večini primerov ne obstajajo, mora obstajati nekaj, kar zatira njihov obstoj. Pomanjkanje dokazov ne kaže na odsotnost pojava. Vendar pa tudi glede razpoložljivosti.
Ilya Khel