Najväčším ponaučením z Einsteinovej všeobecnej teórie relativity je, že samotný vesmír nie je plochá, nemenná a absolútna entita. Je tkané spolu s časom do jednej látky: časopriestoru. Toto tkanivo je spojité, hladké a v prítomnosti hmoty a energie sa ohýba a deformuje. Všetko, čo existuje v tomto časopriestore, sa pohybuje po ceste určenej zakrivením časopriestoru a jeho pohyb je obmedzený rýchlosťou svetla. Čo však robiť, ak sú v tkanine samotné vady? Nejde o sci-fi, ale o skutočne existujúcu myšlienku v teoretickej fyzike. Súvisia s ním vysokoenergetické pamiatky, ako sú hradby domén, kozmické struny a monopoly. Ethan Siegel z Medium.com sa pokúsil odpovedať na otázku, aký je ich pôvod, vlastnosti a ako budú vychádzať s normálnym vesmírom.
Ukázalo sa, že získať chybný vesmír nie je matematicky také ťažké.
Gravitačné správanie Zeme na obežnej dráhe nie je spôsobené neviditeľnou gravitačnou gravitáciou, ale je lepšie popísané tým, že Zem voľne padá cez zakrivený priestor v prítomnosti Slnka. Aj v tomto prípade bude zakrivenie priestoru príliš malé a nedôjde k žiadnym chybám.
Snažte sa reprezentovať priestor čo najlepšie. Ako to vyzerá? Bude prázdny, hladký a väčšinou uniformný? Tiež si myslíte, že jediné odchýlky od tohto stavu budú spojené s prítomnosťou más a množstiev energie? Je to dobrý prístup, ktorý fyzici zvyčajne používajú. Vo veľkom meradle bude priestor trojrozmernou mriežkou, jedinou odchýlkou budú malé oblasti priestorového zakrivenia malej veľkosti, ktoré vytvoria gravitačnú silu, ktorú dobre poznáme. Priestor v tejto konfigurácii bude v stave najmenšej energie.
Tkanina časopriestoru sa vlní a deformuje v dôsledku hmotnosti. Pokiaľ vieme, priestor sa nikdy nezohýba do seba ani sa neohýba.
Ale čo vzrušené štáty? Alebo iné? Aby sme to uľahčili, odčítajme dve priestorové dimenzie a ponechajme si jednu: čiaru. Čiara môže byť rovná, otvorená a nekonečná alebo uzavretá ako slučka. V oboch prípadoch to budú vedenia v stave s najnižšou energiou. Aký by bol stav vysokej energie? Predstavte si, že vezmete svoj vlasec a zavesíte ho ako povrázok. Teraz urobte na šnúrke uzol, akoby ste si zaviazali šnúrky. Reťazec bez uzla bude predstavovať jednorozmerný priestor v stave s najnižšou energiou; reťazec s jedným uzlom bude predstavovať jednorozmerný priestor v prvom excitovanom stave. Tento uzol bude 0-dimenzionálny topologický defekt.
Teraz môžete s riadkom obsahujúcim uzol urobiť zaujímavé veci. Rovnakým spôsobom môžete uviazať ďalší uzol a namiesto jednej získať dve topologické chyby. Ale ak uviažete uzol v opačnom smere (to znamená urobíte to isté očko, ale inak skriete konce pred vhodením a dotiahnutím), bude tento uzol topologicky oproti pôvodnému uzlu. Ak veľmi opatrne zarovnáte oba uzly (pôvodné a protiľahlé), ukáže sa, že sa môžu navzájom odviazať a vrátiť vlasec do stavu nízkej energie.
Propagačné video:
Dva typy týchto nulových rozmerov - uzol a anti-uzol - majú fyzikálne analógie v našom vesmíre: magnetické monopoly. Uzol zodpovedá izolovanému magnetickému severnému pólu; anti-uzol na izolovaný južný magnetický pól. Ak ich skombinujete, zničia sa ako hmota a antihmota a vrátia štruktúru časopriestoru do stavu nízkej energie. Pretože monopoly sú iba bodové častice, budú sa správať ako obyčajná hmota, ktorá sa veľmi nelíši od elektrických monopólov (kladných a záporných elektrických nábojov), ktoré existujú v našom vesmíre.
Koncept magnetického monopolu vyžarujúceho čiary magnetického poľa rovnakým spôsobom, ako by izolovaný elektrický náboj vyžaroval čiary elektrického poľa
Vráťme sa teda späť do nášho 3D vesmíru. Teraz si môžete predstaviť nielen bodové chyby, ale aj chyby vysokých rozmerov:
- Kozmické struny: keď jednorozmerná čiara nejakým spôsobom prestupuje celý pozorovateľný vesmír
- Steny domén: keď vesmírom prechádza dvojrozmerná rovina s rôznymi vlastnosťami z jednej strany na druhú
- Textúry priestoru: keď je oblasť trojrozmerného priestoru stočená do uzlov
Takže máme monopoly (0-rozmerné), struny (1-rozmerné), steny (2-rozmerné) a textúry (3-rozmerné) - všetky druhy defektov, ktoré vznikajú z rôznych mechanizmov tej istej triedy: pri porušení symetrie.
Rozdiely medzi vesmírmi, jedným vytvoreným podľa štandardnej kozmológie (vľavo) a jedným vytvoreným s významnou sieťou topologických defektov (vpravo), vedú k vzniku mnohých rozsiahlych štruktúr. Naše pozorovania stačia na to, aby sa vylúčili kozmické reťazce a steny domén ako dominantná zložka moderného vesmíru.
Lámanie symetrie je vo fyzike vážna záležitosť. Každá existujúca symetria zodpovedá uloženej hodnote, takže ak je symetria narušená, táto hodnota sa už neuloží. Monopoly je možné vyrobiť porušením sférickej symetrie; struny môžu byť vyrobené zlomením uhlovej alebo valcovej symetrie; porušenie diskrétnej symetrie môže vytvoriť doménové steny. Iné chyby sa hľadajú o niečo ťažšie, ale často prichádzajú do úvahy, pokiaľ ide o scenáre s ďalšími rozmermi. Ale prvé tri - najmä monopoly, kozmické reťazce a steny domén - sú pre kozmológiu obzvlášť zaujímavé.
Vieme, že štandardný model všetko neobmedzuje a existuje veľa rozšírení a doplnkov, ktoré môžu mať zaujímavé pozorovateľné následky. Jednou z nich je myšlienka Veľkého zjednotenia, keď sa elektromagnetické, slabé a silné jadrové sily kombinujú pri vysokých energiách. Myšlienka za zjednotením spočíva v tom, že všetky tri sily štandardného modelu a možno aj gravitácia vysokej energie by sa dali spojiť do jednej štruktúry. To by viedlo nielen k vzniku nových častíc a interakcií, ale tiež by to umožnilo vznik magnetických monopólov. Nedostatok magnetických monopolov v pozorovateľnom vesmíre sa často uvádza ako dôkaz kozmickej inflácie a toho, že sa vesmír po skončení inflácie nikdy dostatočne nezohreje, aby obnovil symetriu teórií veľkého zjednotenia.
Keby sa narušila symetria, ktorá zaisťuje Veľké zjednotenie, objavilo by sa kolosálne množstvo magnetických monopolov. Ale nie sú v našom vesmíre; ak by došlo k narušeniu kozmickej inflácie po prelomení tejto symetrie, musel by v pozorovateľnom vesmíre zostať aspoň jeden monopol
Vesmírne reťazce a steny domén sa mohli objaviť počas fázových prechodov, ak skutočne existovali, skoro po konci inflácie. V ranných dobách, keď dôjde k ich rozbitiu, môžu sa vyskytnúť extrémne vysokoenergetické symetrie. Vesmírne reťazce a doménové steny - jedna alebo celá sieť - by museli zanechať podpis vo veľkoplošnej štruktúre vesmíru, textúry by sa objavili v CMB a monopoly by sa museli vytvárať priamymi experimentmi. Niektorí fyzici poukazujú na magnetický monopol objavený 14. februára 1982 ako dôkaz kozmickej inflácie: v pozorovateľnom vesmíre bol jeden monopol a my sme ho videli!
V roku 1982 zaznamenal experiment pod vedením Blasa Cabreru vyzbrojeného ôsmimi závitmi drôtu zmenu toku ôsmich magnetónov: hodnoty indikujúce magnetický monopol. Bohužiaľ, v čase objavenia nebol nikto nablízku a nikto nebol schopný reprodukovať výsledok, ako aj nájsť iný monopol
A ak sa monopoly budú správať ako hmota, kozmické reťazce, steny domén alebo kozmologické textúry vážne ovplyvnia rozpínanie vesmíru. Kozmické reťazce sa budú správať ako priestorové zakrivenie, obmedzené na asi 0,4% celkovej hustoty energie, a steny domén vytvoria formu temnej energie, ktorá akceleruje rozpínanie vesmíru tak pomaly, že si to ani len nevšimne. Kozmologické textúry budú mať rovnaký účinok ako kozmologická konštanta, ale náš pozorovateľný vesmír sa bude musieť kvôli vysvetleniu našich pozorovaní obmedziť na jednu jedinú chybu.
Rôzne zložky energetickej hustoty vesmíru a kedy sa mohli prejaviť v plnej sile. Keby vesmírne reťazce alebo steny domén existovali v akomkoľvek množstve, vážne by to ovplyvnilo rozpínanie nášho vesmíru.
Monopoly, struny, steny, textúry a iné chyby by mali byť veľmi ťažké, ak existujú. Monopoly by boli najmohutnejšie častice, aké boli kedy objavené (100 biliónovkrát hmotnejšie ako top kvark). Reťazce, steny a textúry by sa stali zárodkom veľkých štruktúr, ktoré spoja materiál a vytvoria ďalšie štruktúry, ktoré ľahko uvidíme pomocou moderných ďalekohľadov, prieskumov a údajov CMB. Moderné obmedzenia nám hovoria, že takéto štruktúry neexistujú v hojnom množstve a ťažko by predstavovali viac ako pár percent z celkového energetického rozpočtu vesmíru.
Dodnes neexistujú žiadne dôkazy o tom, že náš vesmír je chybný, okrem jediného pozorovania magnetického monopolu pred 35 rokmi. Aj keď nemôžeme vyvrátiť ich existenciu (iba limit), musíme mať uši na vrchole a byť pripravení nielen na ich možnú detekciu, ale aj na akékoľvek ďalšie doplnky k štandardnému modelu, ktoré fyzika nezakazuje. Vo väčšine prípadov, ak neexistujú, musí existovať niečo, čo ich existenciu potláča. Nedostatok dôkazov nenaznačuje absenciu javu. Avšak dostupnosť tiež.
Iľja Khel