Einsteins grootste les in de algemene relativiteitstheorie is dat de ruimte zelf niet vlak, onveranderlijk en absoluut is. Het is samen met de tijd geweven tot één stof: ruimte-tijd. Dit weefsel is continu, glad en wordt gebogen en vervormd in aanwezigheid van materie en energie. Alles wat in deze ruimte-tijd bestaat, beweegt langs een pad dat wordt bepaald door de kromming van ruimte-tijd, en zijn beweging wordt beperkt door de snelheid van het licht. Maar wat als er gebreken zijn in de stof zelf? Dit is geen sciencefiction, maar een echt bestaand idee in de theoretische fysica. Daaraan zijn relikwieën met hoge energie verbonden, zoals domeinmuren, kosmische strings en monopolen. Ethan Siegel van Medium.com probeerde een antwoord te geven op de vraag wat hun oorsprong, eigenschappen en hoe ze zullen opschieten met het normale universum.
Het bleek dat het wiskundig niet zo moeilijk is om een defect universum te krijgen.
Het zwaartekrachtgedrag van de aarde in een baan is niet het gevolg van onzichtbare zwaartekracht, maar wordt beter beschreven doordat de aarde vrij door de gekromde ruimte valt in de aanwezigheid van de zon. Zelfs in dit geval zal de kromming van de ruimte te klein zijn en zullen er geen defecten in zitten.
Probeer de ruimte zo goed mogelijk weer te geven. Hoe ziet het eruit? Zal het leeg, glad en grotendeels uniform zijn? Denk je ook dat de enige afwijkingen van deze toestand verband zullen houden met de aanwezigheid van massa's en kwanta energie? Dit is een goede benadering die natuurkundigen gewoonlijk volgen. Op grote schaal zal de ruimte een driedimensionaal raster zijn, de enige afwijkingen waarin kleine gebieden met ruimtelijke kromming van kleine omvang zijn, die de zwaartekracht creëren die we goed kennen. De ruimte in deze configuratie zal in de staat van de minste energie verkeren.
Het weefsel van ruimte-tijd rimpelt en kromtrekt als gevolg van massa. Voor zover we weten, vouwt de ruimte zich nooit in zichzelf op of buigt ze nooit.
Maar hoe zit het met opgewonden staten? Of anderen? Om het gemakkelijker te maken, trekken we twee ruimtelijke dimensies af en laten we er één over: de lijn. De lijn kan recht, open en eindeloos zijn, of gesloten, zoals een lus. In beide gevallen zijn het de lijnen in de laagste energietoestand. Hoe zou een hoge energietoestand zijn? Stel je voor dat je je lijn neemt en deze als een touwtje ophangt. Maak nu een knoop aan het touwtje, alsof je veters aan het knopen bent. Een string zonder knoop zal een eendimensionale ruimte in de laagste energietoestand vertegenwoordigen; een string met één knoop vertegenwoordigt een eendimensionale ruimte in de eerste aangeslagen toestand. Dit knooppunt zal een 0-dimensionaal topologisch defect zijn.
Nu kunt u enkele interessante dingen doen met de regel met het knooppunt. U kunt op dezelfde manier nog een knoop leggen en twee topologische defecten krijgen in plaats van één. Maar als u de knoop in de tegenovergestelde richting knoopt (dat wil zeggen, dezelfde lus maakt, maar anders de uiteinden kruist voordat u gaat gooien en vastzetten), zal deze knoop topologisch tegengesteld zijn aan de oorspronkelijke knoop. Als je beide knopen (origineel en tegenovergesteld) heel zorgvuldig uitlijnt, blijkt dat ze elkaar kunnen losmaken en de lijn terug kunnen brengen naar een staat van lage energie.
Promotie video:
Twee soorten van deze nul-dimensionale effecten - knoop en antiknoop - hebben fysieke analogieën in ons universum: magnetische monopolen. Het knooppunt komt overeen met een geïsoleerde magnetische noordpool; antiknooppunt naar de geïsoleerde magnetische zuidpool. Als je ze combineert, vernietigen ze, net als materie en antimaterie, en brengen ze het weefsel van ruimte-tijd terug naar een lage energietoestand. Omdat monopolen gewoon puntdeeltjes zijn, zullen ze zich gedragen als gewone materie, niet veel anders dan de elektrische monopolen (positieve en negatieve elektrische ladingen) die in ons universum bestaan.
Het concept van een magnetische monopool die magnetische veldlijnen uitzendt op dezelfde manier dat een geïsoleerde elektrische lading elektrische veldlijnen zou uitzenden
Dus laten we teruggaan naar ons 3D-universum. Nu kunt u zich niet alleen puntdefecten voorstellen, maar ook hoog-dimensionale defecten:
- Kosmische snaren: wanneer een eendimensionale lijn op de een of andere manier het hele waarneembare universum doordringt
- Domeinmuren: wanneer een tweedimensionaal vlak met verschillende eigenschappen van de ene naar de andere kant door het universum gaat
- Ruimtetexturen: wanneer een gebied van driedimensionale ruimte in knopen wordt gedraaid
We hebben dus monopolen (0-dimensionaal), strings (1-dimensionaal), muren (2-dimensionaal) en texturen (3-dimensionaal) - allerlei defecten die voortkomen uit verschillende mechanismen van dezelfde klasse: wanneer symmetrie wordt verbroken.
Verschillen tussen universums, een gecreëerd volgens de standaardkosmologie (links) en een gecreëerd met een aanzienlijk netwerk van topologische defecten (rechts), geven aanleiding tot een verscheidenheid aan grootschalige structuren. Onze waarnemingen zijn voldoende om kosmische strings en domeinmuren uit te sluiten als de dominante component van het moderne universum.
Het breken van symmetrie is een serieuze zaak in de natuurkunde. Elke bestaande symmetrie komt overeen met een opgeslagen waarde, dus als de symmetrie wordt verbroken, wordt die waarde niet meer opgeslagen. Monopolen kunnen worden geproduceerd door sferische symmetrie te breken; snaren kunnen worden geproduceerd door hoekige of cilindrische symmetrie te breken; schending van discrete symmetrie kan domeinwanden creëren. Andere defecten zijn iets moeilijker te vinden, maar spelen vaak een rol als het gaat om scenario's met extra dimensies. Maar de eerste drie - in het bijzonder monopolen, kosmische strings en domeinwanden - zijn van bijzonder belang voor de kosmologie.
We weten dat alles niet beperkt is tot het standaardmodel en er zijn veel uitbreidingen en toevoegingen die interessante waarneembare gevolgen kunnen hebben. Een daarvan is het idee van de Grote Eenwording, wanneer elektromagnetische, zwakke en sterke nucleaire krachten zich combineren met hoge energieën. Het idee achter de eenwording is dat alle drie de krachten van het standaardmodel, en misschien zelfs de hoogenergetische zwaartekracht, kunnen worden gecombineerd tot een enkele structuur. Dit zou niet alleen leiden tot het ontstaan van nieuwe deeltjes en interacties, maar ook tot het ontstaan van magnetische monopolen. Het ontbreken van magnetische monopolen in het waarneembare universum wordt vaak aangehaald als bewijs van kosmische inflatie en dat het universum na het einde van de inflatie nooit heet genoeg zal worden om de symmetrie van de grote eenmakingstheorieën te herstellen.
Als de symmetrie die ervoor zorgt dat de Grote Eenwording wordt verbroken, zou een kolossaal aantal magnetische monopolen verschijnen. Maar ze zijn niet in ons universum; als kosmische inflatie plaatsvond nadat deze symmetrie was verbroken, zou er minstens één monopool binnen het waarneembare universum moeten blijven
Kosmische strings en domeinwanden zouden tijdens faseovergangen kunnen verschijnen, als ze echt bestonden, kort na het einde van de inflatie. Er kunnen in vroege tijden een aantal extreem energetische symmetrieën zijn gevormd, wanneer ze worden verbroken, verschijnen dergelijke defecten. Kosmische strings en domeinwanden - een of een heel netwerk - zouden een handtekening moeten achterlaten in de grootschalige structuur van het universum, texturen zouden in de CMB verschijnen en monopolen zouden moeten worden gecreëerd door middel van directe experimenten. Sommige natuurkundigen wijzen op de magnetische monopool die op 14 februari 1982 werd ontdekt als bewijs van kosmische inflatie: er was één monopool in het waarneembare universum, en we hebben het gezien!
In 1982 registreerde een experiment onder leiding van Blas Cabrera, gewapend met acht windingen van draad, een verandering in de flux van acht magnetonen: metingen die duiden op een magnetische monopool. Helaas was er op het moment van ontdekking niemand in de buurt en kon niemand het resultaat reproduceren en een andere monopool vinden
En als monopolen zich gedragen als materie, zullen kosmische snaren, domeinwanden of kosmologische texturen de uitbreiding van het heelal ernstig aantasten. Kosmische snaren zullen zich gedragen als ruimtelijke kromming, beperkt tot ongeveer 0,4% van de totale energiedichtheid, en domeinwanden zullen een vorm van donkere energie creëren die de uitdijing van het universum zo langzaam versnelt dat het niet eens opgemerkt zal worden. Kosmologische texturen zullen hetzelfde effect hebben als de kosmologische constante, maar ons waarneembare heelal zal beperkt moeten zijn tot één enkel defect om onze waarnemingen te verklaren.
Verschillende componenten van de energiedichtheid van het heelal en wanneer ze zich in volle kracht konden manifesteren. Als er kosmische strings of domeinwanden in welke hoeveelheid dan ook zouden bestaan, zouden ze de uitbreiding van ons universum ernstig aantasten.
Monopolen, snaren, muren, texturen en andere defecten zouden superzwaar moeten zijn als ze bestaan. Monopolen zouden de meest massieve deeltjes zijn die ooit zijn ontdekt (100 biljoen keer massiever dan een top-quark). Snaren, muren en texturen zouden zaden worden voor grootschalige constructies, waarbij materiaal wordt samengetrokken en andere constructies worden gevormd die we gemakkelijk kunnen zien met moderne telescopen, surveys en CMB-data. De huidige beperkingen vertellen ons dat dergelijke structuren niet in overvloed bestaan, en ze zouden nauwelijks meer dan een paar procent van het totale energiebudget van de ruimte uitmaken.
Tot op heden is er geen bewijs dat ons universum defect is, behalve die enkele waarneming van een magnetische monopool 35 jaar geleden. Hoewel we hun bestaan niet kunnen weerleggen (enige limiet), moeten we onze oren scherp houden en niet alleen voorbereid zijn op hun mogelijke detectie, maar ook op andere toevoegingen aan het standaardmodel die niet door de natuurkunde verboden zijn. In de meeste gevallen, als ze niet bestaan, moet er iets zijn dat hun bestaan onderdrukt. Gebrek aan bewijs duidt niet op de afwezigheid van het fenomeen. Maar ook de beschikbaarheid.
Ilya Khel
