Может ли ткань пространства-времени быть с изъянами?
Самый большой урок общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что пространство само по себе не является плоской, неизменной и абсолютной сущностью. Оно соткано вместе со временем в одну ткань: пространство-время. Эта ткань непрерывная, гладкая и становится изогнутой и деформированной в присутствии вещества и энергии. Все существующее в этом пространстве-времени движется по пути, определяемому кривизной пространства-времени, и его движение ограничено скоростью света. Но что, если в самой ткани будут дефекты? Это не научная фантастика, а действительно существующая идея в теоретической физике. С ней связаны высокоэнергетические реликты вроде доменных стен, космических струн и монополей. Итан Зигель с Medium.com постарался ответить на вопрос, каким может быть их происхождение, свойства и как они будут уживаться с обычной Вселенной.
Получить дефектную Вселенную, как выяснилось, математически не так уж и сложно.
Гравитационное поведение Земли на орбите обусловлено не невидимым гравитационным тяготением, а лучше описывается Землей, свободно падающей через искривленное пространство в присутствии Солнца. Даже в этом случае кривизна пространства будет слишком малой и в ней не будет дефектов
Попытайтесь представить пространство как можно лучше. На что оно похоже? Будет ли оно пустым, гладким и по большей части однородным? Вы тоже думаете, что единственные отклонения от этого состояния будут связаны с присутствием масс и квантов энергии? Это хороший подход, который обычно выбирают физики. На крупных масштабах пространство будет представлять собой трехмерную сетку, единственными отклонениями в которой будут небольшие регионы пространственной кривизны малой величины, создающие гравитационную силу, которую мы хорошо знаем. Пространство в такой конфигурации будет в состоянии наименьшей энергии.
Ткань пространства-времени с рябью и деформациями из-за массы. Насколько нам известно, пространство никогда не складывается само в себя и не загибается
Но как насчет возбужденных состояний? Или других? Чтобы было легче, давайте вычтем два пространственных измерения и оставим одно: линию. Линия может быть прямой, открытой и бесконечной, либо же замкнутой, как петля. В обоих случаях они будут линиями в состоянии наименьшей энергии. Каким было бы состояние высокой энергии? Представьте, что вы берете свою линию и подвешиваете ее, как струну. А теперь сделайте на струне узел, будто зашнуровываете шнурки. Струна без узла будет представлять собой одномерное пространство в состоянии с наименьшей энергией; струна с одним узлом будет представлять одномерное пространство в первом возбужденном состоянии. Этот узел будет 0-мерным топологическим дефектом.
Теперь вы можете проделать интересные вещи с содержащей узел линией. Вы можете завязать другой узел точно так же и получить два топологических дефекта вместо одного. Но если вы завяжете узел в противоположном направлении (то есть сделаете такую же петлю, но иначе положите концы крест-накрест, прежде чем перебросить и затянуть), этот узел будет топологически противоположным оригинальному узлу. Если вы очень осторожно совместите оба узелка (изначальный и противоположный), выяснится, что они могут развязать друг друга и вернуть линию в состояние низкой энергии.
Два типа этих нульмерных эффектов — узел и антиузел — имеют физические аналогии в нашей Вселенной: магнитные монополи. Узел соответствует изолированному северному магнитному полюсу; антиузел — изолированному южному магнитному полюсу. Если вы совместите их, они аннигилируют, как материя и антиматерия, и вернут ткань пространства-времени в низкое энергетическое состояние. Поскольку монополи это всего лишь точечные частицы, они будут вести себя как обычное вещества, не сильно отличаясь от электрических монополей (положительных и отрицательных электрических зарядов), которые есть в нашей Вселенной.
Концепция магнитного монополя, испускающего линии магнитного поля так же, как изолированный электрический заряд испускал бы линии электрического поля
Итак, давайте вернемся к нашей трехмерной Вселенной. Теперь можете вообразить не только точечные дефекты, но и высокоразмерные дефекты:
- Космические струны: когда одномерная линия в некотором роде пронизывает всю наблюдаемую Вселенную
- Доменные стенки: когда двухмерная плоскость с различными свойствами от одной стороны до другой проходит через Вселенную
- Космические текстуры: когда область трехмерного пространства закручивается в узлы
Итак, у нас имеются монополи (0-мерные), струны (1-мерные), стенки (2-мерные) и текстуры (3-мерные) — всевозможные дефекты, которые вытекают из разных механизмов одного класса: когда нарушается симметрия.
Различия между Вселенными, одной созданной в соответствии со стандартной космологией (слева) и одной созданной со значительной сетью топологических дефектов (справа), выдают самые разные крупномасштабные структуры. Наших наблюдений достаточно, чтобы исключить космические струны и доменные стенки как доминирующий компонент современной Вселенной
Нарушение симметрии — серьезное дело в физике. Каждая существующая симметрия соответствует сохраняемой величине, поэтому, если симметрия нарушена, эта величина больше не сохраняется. Можно производить монополи, нарушая сферическую симметрию; можно производить струны, нарушая угловую или цилиндрическую симметрию; нарушение же дискретной симметрии может создать доменные стенки. Другие дефекты чуть сложнее нащупать, но они часто вступают в игру, когда дело доходит до сценариев с дополнительными размерностями. Но первые три — в частности монополи, космические струны и доменные стенки — представляют особый интерес для космологии.
Мы знаем, что Стандартной моделью все не ограничивается и существует много продолжений и дополнений, которые могут иметь любопытные наблюдаемые последствия. Одно из них — это идея Великого объединения, когда электромагнитные, слабые и сильные ядерные силы объединяются при высоких энергиях. Идея объединения состоит в том, что все три силы Стандартной модели и, возможно, даже гравитацию при высоких энергиях можно было бы совместить в единой структуре. Это не только привело бы к появлению новых частиц и взаимодействий, но и позволило бы появиться магнитным монополям. Отсутствие магнитных монополей в наблюдаемой Вселенной зачастую упоминают как доказательство космической инфляции и того, что Вселенная никогда не станет достаточно горячей после конца инфляции, чтобы восстановить симметрию Теорий Великого объединения.
Если бы симметрия, обеспечивающая Великое объединение, нарушалась, появилось бы колоссальное количество магнитных монополей. Но в нашей Вселенной их нет; если бы космическая инфляция имела место после того, как эта симметрия нарушилась, хотя бы один монополь должен был остаться в пределах наблюдаемой Вселенной
Космические струны и доменные стенки могли бы появиться при фазовых переходах, если бы действительно существовали, вскоре после окончания инфляции. Могут существовать некоторые чрезвычайно высокоэнергетические симметрии, образованные в ранние времена, при нарушении которых появляются подобные дефекты. Космические струны и доменные стенки — одна или целая сеть — должны были бы оставить сигнатуру в крупномасштабной структуре Вселенной, текстуры должны были бы показаться в CMB, а монополи — быть созданы в ходе прямых экспериментов. Некоторые физики указывают на магнитный монополь, открытый 14 февраля 1982 года, как на доказательство космической инфляции: был один монополь в наблюдаемой Вселенной, и мы его видели!
В 1982 году эксперимент под руководством Бласа Кабреры, вооруженного восемью витками проволоки, зарегистрировал изменение потока восьми магнетонов: показания, указывающие на магнитный монополь. К сожалению, на момент обнаружения поблизости никого не было и никто не смог воспроизвести результат, равно как и найти другой монополь
И если монополи будут вести себя как вещество, космические струны, доменные стенки или космологические текстуры будут серьезно влиять на расширение Вселенной. Космические струны будут вести себя как пространственная кривизна, ограничиваясь порядка 0,4% общей энергетической плотности, а доменные стенки будут создавать форму темной энергии, которая так медленно ускоряет расширение Вселенной, что этого даже нельзя будет заметить. Космологические текстуры будут иметь такой же эффект, как и космологическая постоянная, но наша наблюдаемая Вселенная должна будет ограничиться одним-единственным дефектом, чтобы объяснить наши наблюдения.
Различные компоненты энергетической плотности Вселенной и когда они могли бы проявиться в полную силу. Если бы космические струны или доменные стенки существовали хоть в каком-нибудь количестве, они бы серьезно повлияли на расширение нашей Вселенной
Монополи, струны, стенки, текстуры и прочие дефекты должны быть сверхтяжелыми, если бы существовали. Монополи стали бы самыми массивными частицами из обнаруженных (в 100 триллионов раз массивнее топ-кварка). Струны, стенки и текстуры стали бы семенами для крупномасштабных структур, стягивая вещество и образуя другие структуры, которые мы с легкостью бы разглядели при помощи современных телескопов, обследований и данных CMB. Современные ограничения говорят нам, что таких структур не существует в изобилии, и на них вряд ли пришлось бы больше нескольких процентов общего энергетического бюджета космоса.
На сегодняшний день нет никаких доказательств того, что наша Вселенная дефектная, если не считать того единственного наблюдения магнитного монополя 35 лет назад. Хотя мы не можем опровергнуть их существование (только ограничить), нужно держать ушки на макушке и быть готовыми не только к их возможному обнаружению, но и к любым другим дополнениям Стандартной модели, не запрещенным физикой. В большинстве случаев, если их не существует, значит должно быть что-то, подавляющее их существование. Отсутствие доказательств не свидетельствует об отсутствии явления. Впрочем, и о наличии тоже.
