نسيج الزمكان هو مفهوم معقد إلى حد ما لفهمه. بفضل نظرية النسبية العامة لآينشتاين ، يمكننا معالجتها.أهم درس في النسبية العامة لأينشتاين هو حقيقة أن الفضاء ليس جوهرًا ثابتًا وغير متغير. يتم نسجها مع الوقت في نسيج واحد: الزمكان. هذا النسيج متواصل وسلس وينحني ويتشوه في وجود المادة والطاقة. كل شيء موجود في الزمكان يتحرك على طول مسارات يحددها انحنائه ، وهذه الحركة محدودة بسرعة الضوء. ولكن ماذا لو ظهرت عيوب في هذا النسيج؟ هذا ليس خيالًا علميًا ، ولكنه فكرة حقيقية في الفيزياء النظرية ، ويسأل قارئنا هذا الأسبوع سؤالًا عن ذلك:
أود أن أقترح مثل هذا الموضوع للمناقشة مثل بقايا الطاقات العالية - جدران المجال ، والأوتار الكونية ، والاحتكارات ، وما إلى ذلك. سيكون من المثير للاهتمام أن تقرأ عن ماهية هذه العيوب ، ومن أين أتت ، وما هي الخصائص التي قد تمتلكها ، والأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة لي هو كيف يمكن أن تبدو وتتفاعل مع الكون "العادي".
اتضح أنه من السهل حسابيًا الحصول على كون معيب.
لا يحدث سلوك الجاذبية للأرض حول الشمس بسبب جاذبية الجاذبية غير المرئية - من الأفضل وصفها كما لو كانت الأرض تقع بحرية في الفضاء المنحني ، حيث تلعب الشمس الدور الرئيسي. ولكن في هذه الحالة ، سيكون انحناء الفضاء صغيرًا جدًا ، ولن يكون هناك عيوب فيه.تخيل الفضاء. كيف تبدو؟ هل تتخيل مساحة فارغة وسلسة ومتجانسة؟ هل تعتقد أن الانحرافات الوحيدة عن هذه الصورة ستكون بسبب الكميات والكميات من الطاقة؟ هذا نهج جيد يستخدمه الفيزيائيون بشكل شائع. على أكبر المقاييس ، يجب أن تكون شبكة ثلاثية الأبعاد ، مع انحرافات صغيرة في شكل أقسام ذات انحناء مكاني صغير ، مما يخلق قوة جاذبية معروفة. في هذا الشكل ، ستكون المساحة في الحالة بأقل طاقة.
نسيج الزمكان ، مع تموجات وتشوهات ناتجة عن الكتلة. ولكن على حد علمنا ، لا يتم طي أو طي الفضاءماذا عن الدول المتحمسة؟ ماذا عن الظروف الأخرى؟ من أجل البساطة ، نزيل بعدين مكانيين ونترك واحدًا فقط: الخط المستقيم. يمكن أن يكون الخط المستقيم مستقيمًا ، ومفتوحًا ، ولانهائيًا ، أو يمكن أن يغلق مثل الحلقة. كلا هذين الخيارين مباشران في حالة بأقل قدر من الطاقة. كيف ستبدو حالة الطاقة الأعلى؟ خذ خطنا المستقيم واجعله مرنًا ، مثل الخيط. تخيل الآن أننا قمنا بربط عقدة عليه - قم بعمل حلقة ، وضعها بالعرض واسحبها. يشير الخيط الذي لا عقدة إلى مساحة أحادية البعد في حالة بأقل قدر من الطاقة ؛ يشير خيط مع عقدة واحدة إلى مسافة أحادية البعد في الحالة الأولى المثارة. هذه العقدة عيب طوبولوجي بدون أبعاد.
العقدة المرتبطة بالخيط هي تناظرية لعيب صفري الأبعاد لخط مستقيم أحادي البعد. يمكن أن تؤدي العقدة ، التي تعكس هذا ، في التصادم إلى اختفاء كل منهما واستعادة المستوى بأقل طاقةوالآن مع السطر الذي يحتوي على العقد ، يمكنك القيام بشيء مثير للاهتمام. يمكنك ربط العقدة نفسها تمامًا ، وسيكون لديك عيبان طوبولوجيان يلخصان تأثيرك. ولكن إذا قمت بربط عقدة في الاتجاه المعاكس - مرآة ، فستحصل على عقدة معاكسة طبولوجيا عكس الأصل. إذا جمعت هاتين العُقدتين معًا ، فستجد أنهما يمكنهما فك بعضهما البعض ، مما سيعيدك إلى حالة بأقل طاقة.
هذان النوعان من العيوب الصفرية الأبعاد - عقدة وضد عقدة - لهما نظائر فيزيائية في الكون: أحادي القطب المغناطيسي. تتوافق العقدة مع القطب المغناطيسي الشمالي المعزول ؛ تتوافق العقدة المضادة مع القطب المغناطيسي الجنوبي المعزول. إذا جمعتهما معًا ، فإنها تباد ، مثل المادة والمادة المضادة ، وتعيد نسيج الزمكان إلى حالة بأقل طاقة. نظرًا لأن monopoles هي جسيمات نقطية ، فإنها ستتصرف مثل المادة العادية ، ولا تختلف كثيرًا عن monopoles الكهربائية (الشحنات الكهربائية الإيجابية والسلبية) الموجودة في الكون.
مفهوم انبعاث خطوط المجال المغناطيسي أحادية القطب المغناطيسي بطريقة مماثلة لكيفية انبعاث شحنة كهربائية معزولة خطوط المجال الكهربائينعود الآن إلى عالمنا ثلاثي الأبعاد. لا يمكنك تخيل العيوب النقطية فحسب ، بل أيضًا العيوب بعدد كبير من القياسات:
- الأوتار الكونية: يمر خط مستقيم أحادي البعد عبر الكون المرئي بأكمله.
- جدران المجالات: يمر مستوى ثنائي الأبعاد بخصائص غير منتظمة عبر الكون بأكمله.
- الهياكل الفضائية: قسم من الفضاء ثلاثي الأبعاد "مربوط في عقدة".
لذلك ، من بين العيوب المحتملة ، لدينا احتكار (0-D) ، وسلسلة (1-D) ، وجدار (2-D) ، وملمس (3-D) ، وكلها تظهر نتيجة لعمل آليات مختلفة ، ولكنها تنتمي إلى واحد الطبقة: تظهر عند كسر التماثل.
الاختلافات بين الكون الذي تم إنشاؤه في إطار علم الكونيات القياسي (يسار) والظهور الذي ظهر مع شبكة متطورة من العيوب الطوبولوجية (يمين) تؤدي إلى ظهور هياكل مختلفة تمامًا واسعة النطاق. تشير ملاحظاتنا بثقة تامة إلى السلاسل الكونية وجدران المجال باعتبارها المكونات السائدة للكون الحديثيعد انتهاك التناظر في الفيزياء أمرًا خطيرًا. تتوافق جميع التماثلات الموجودة مع الكميات المحفوظة ؛ لذلك ، عندما يتم انتهاك التماثل ، يتوقف قانون الحفاظ على هذه الكمية عن العمل. يمكن الحصول على monopoles عن طريق كسر التماثل الكروي. سلاسل - كسر التماثل المحوري أو الأسطواني ؛ جدران المجال - كسر التماثل المنفصل (التكافؤ أو الانعكاس المرآة). يصعب فهم العيوب من نوع مختلف ، ولكن غالبًا ما تتم مواجهتها عند العمل بأبعاد إضافية. ومع ذلك ، فإن الثلاثة الأولى من هذه - الاحتكارات والأوتار الكونية وجدران المجال - مثيرة للاهتمام بشكل خاص لعلم الكونيات.
تنص فكرة التوحيد على أن جميع التفاعلات الثلاثة للنموذج القياسي ، وربما الجاذبية ، عند الطاقات العالية يتم دمجها على منصة واحدةأنت تعلم أنه بالإضافة إلى النموذج القياسي ، يجب أن يكون هناك شيء آخر ، ولديه العديد من الامتدادات ، والتي يمكن أن تكون عواقبها مثيرة للإعجاب للغاية. أحدها هو فكرة
التوحيد العظيم ، والتي بموجبها تتفاعل التفاعلات النووية الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية عند بعض الطاقة العالية. هذا لن يؤدي فقط إلى وجود جزيئات وتفاعلات جديدة ، ولكن أيضًا إلى ظهور أحادي القطب المغناطيسي في لحظة كسر التناظر ، الذي يحمل تفاعلًا قويًا مع اثنين آخرين. غالبًا ما يتم تقديم غياب الاحتكار المغناطيسي في الكون المرصود كدليل على التضخم الكوني ، وحقيقة أن الكون في نهاية التضخم لا يسخن بما يكفي لاستعادة تناسق التوحيد العظيم يتم الاستشهاد به كدليل إضافي.
إذا تم كسر استعادة تناظر التوحيد العظيم ، سيظهر عدد كبير من الاحتكار المغناطيسي. لكن كوننا لا يزودنا بها ؛ إذا حدث تضخم كوني بعد كسر التماثل هذا ، فلن يكون هناك في الكون المرصود أكثر من احتكار مغناطيسي واحد.كان من المفترض أن تظهر السلاسل الكونية وجدران المجال (إن وجدت) أثناء التحولات الطورية بعد وقت قصير من نهاية التضخم. قد توجد تماثلات إضافية عند مستويات طاقة عالية ، والتي يتم استعادتها في اللحظات الأولى من عمر الكون ، وقد تظهر العيوب الموصوفة أثناء تدميرها. الأوتار الكونية وجدران المجال - الشبكات الفردية أو الكاملة - ستترك علامات على وجودها في الهياكل الواسعة النطاق للكون ، وستكون القوام مرئية في الإشعاع المرتد ، والاحتكارات المغناطيسية في التجارب المباشرة لاكتشافها. يشير بعض الفيزيائيين بسخرية إلى القطب الوحيد المغناطيسي الذي
اكتشف في سانت. عيد الحب عام 1982 كدليل على التضخم الكوني: في الكون هناك احتكار واحد فقط ، وقد رأينا ذلك!
في عام 1982 ، كشفت تجربة بقيادة Blas Cabrera بسلك ملتوي ذي ثماني حلقات عن تغير في تدفق ثمانية مغناطيسات: دليل على احتكار مغناطيسي. لسوء الحظ ، لم يكن أحد في المختبر في وقت الاكتشاف ، ولم يتمكن أي شخص حتى الآن من إعادة إنتاج النتيجة أو العثور على احتكار ثاني.وإذا تصرفت أحادية القطب كالمادة العادية ، فإن الأوتار الكونية أو جدران النطاق أو القوام الكوني ستؤثر بشكل كبير على توسع الكون. تتصرف السلاسل الكونية مثل انحناء الفضاء ، وتقتصر على 0.4 ٪ من كثافة الطاقة الإجمالية ، وستخلق جدران المجالات نوعًا من الطاقة المظلمة التي تسرع الكون - ولكن هذا سيكون تسريعًا ضعيفًا جدًا لا يفسر العمليات التي نراها. يمكن مقارنة تأثير القوام الكوني مع تأثير الثابت الكوني ، ولكن من أجل تفسير جميع الملاحظات المتاحة ، يجب على المرء أن يقبل أن الكون المرئي بأكمله يقع داخل عيب واحد!
المكونات والمساهمات المختلفة في كثافة طاقة الكون ، والوقت الذي يمكن أن تسود فيه. إذا كان هناك ما يكفي من الأوتار الكونية أو جدران النطاق ، فإنها ستسهم مساهمة كبيرة في توسع الكون.إذا كان هناك احتكار ، وسلاسل ، وجدران ، وقوام ، فيجب أن تكون ثقيلة للغاية. يجب أن يكون القطب الواحد هو الأكثر ضخامة بين جميع الجسيمات المفتوحة - حوالي 10-14 مرة أكبر من الكوارك العلوي. يجب أن تلعب الخيوط والجدران والقوام دور أجنة الهياكل الكبيرة الحجم ، وتجميع المادة في الفترة السابقة لتكوين أي هياكل أخرى ، وخلق آثار واضحة للوجود ، بالنظر إلى القدرات الحالية للتلسكوبات والملاحظات وبيانات CMB. تشير القيود الحالية إلى أن مثل هذه الهياكل لا توجد بأعداد كبيرة ، ولا يمكن أن توجد أكثر من نسبة قليلة من إجمالي ميزانية الطاقة الفضائية.
يشير إشعاعنا المتلازم وطيف تقلباته إلى ثبات المقياس ، في حين أن شبكة من الخيوط الكونية ستعطي ارتفاعًا حادًا جدًا على الجانب الأيسر من الرسم البيانيحتى الآن ، لا يوجد دليل على وجود عيوب في الكون ، باستثناء الملاحظة الوحيدة للاحتكار المغناطيسي منذ 35 عامًا. وعلى الرغم من أنه لا يمكننا دحض وجودها (يمكننا فقط فرض قيود عليها) ، إلا أننا بحاجة إلى الاستعداد لاحتمال عدم حظر هذه التأثيرات الطوبوغرافية ، وأن العديد من امتدادات النموذج القياسي ستستتبعها حتمًا. في العديد من السيناريوهات ، يتم تفسير غيابهم بحقيقة أن شيئًا آخر يقمعهم. إن عدم وجود أدلة ليس دليلاً على الغياب ، ولكن حتى نرى شيئًا آخر يشير إلى حقيقة العيوب الطوبولوجية للكون ، سيتعين علينا ترك هذه الفكرة في مجال النظريات.
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].الأسئلة الشائعة: إذا كان الكون يتوسع ، فلماذا لا نتوسع ؟ لماذا لا يتزامن عمر الكون مع نصف قطر الجزء الملاحظ .