Fragen Sie Ethan: Gibt es Defekte im Raum-Zeit-Gewebe?

Das Gefüge der Raumzeit ist ein ziemlich kompliziertes Konzept. Dank Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie können wir sie angehen.

Die wichtigste Lehre aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Tatsache, dass der Raum keine flache, unveränderliche, absolute Essenz ist. Es ist mit der Zeit zu einem einzigen Stoff verwoben: Raum-Zeit. Dieser Stoff ist durchgehend, glatt, biegt sich und verformt sich in Gegenwart von Materie und Energie. Alles, was in der Raumzeit existiert, bewegt sich auf Wegen, die durch seine Krümmung bestimmt werden, und diese Bewegung ist durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Aber was ist, wenn Defekte in diesem Stoff auftreten? Dies ist keine Science-Fiction, sondern eine echte Idee in der theoretischen Physik, und diese Woche stellt unser Leser eine Frage dazu:

Ich möchte ein solches Thema zur Diskussion stellen wie Relikte hoher Energien - Domänenwände, kosmische Strings , Monopole und so weiter. Es wäre interessant zu lesen, was diese Defekte sind, woher sie kommen, welche Eigenschaften sie haben und was mich am meisten interessiert, wie sie aussehen und mit dem „gewöhnlichen“ Universum interagieren können.

Es stellt sich heraus, dass es mathematisch sehr einfach ist, ein defektes Universum zu erhalten.


Das Gravitationsverhalten der Erde um die Sonne tritt nicht aufgrund unsichtbarer Gravitationsanziehung auf - es ist besser, es so zu beschreiben, als ob die Erde frei in einen gekrümmten Raum fällt, in dem die Sonne die Hauptrolle spielt. In diesem Fall ist die Krümmung des Raums jedoch recht gering und weist keine Mängel auf.

Stellen Sie sich den Raum vor. Wie sieht es aus? Stellen Sie sich einen leeren, glatten, homogenen Raum vor? Glauben Sie, dass die einzigen Abweichungen von diesem Bild auf Massen und Energiequanten zurückzuführen sind? Dies ist ein guter Ansatz, der üblicherweise von Physikern verwendet wird. Auf den größten Skalen sollte es sich um ein dreidimensionales Gitter mit kleinen Abweichungen in Form von Abschnitten mit geringer räumlicher Krümmung handeln, wodurch eine bekannte Schwerkraft entsteht. In dieser Form befindet sich der Raum in dem Zustand mit der geringsten Energie.


Das Gewebe der Raum-Zeit mit Wellen und Verformungen, die durch die Masse verursacht werden. Aber soweit wir wissen, faltet sich der Raum niemals zusammen oder faltet sich

Was ist mit angeregten Zuständen? Was ist mit anderen Bedingungen? Der Einfachheit halber eliminieren wir zwei räumliche Dimensionen und lassen nur eine übrig: die gerade Linie. Eine gerade Linie kann gerade, offen und unendlich sein oder wie eine Schleife geschlossen werden. Beide Optionen befinden sich direkt in einem Zustand mit minimaler Energie. Wie wird ein Zustand höherer Energie aussehen? Nehmen Sie unsere gerade Linie und machen Sie sie flexibel wie einen Faden. Stellen Sie sich nun vor, wir hätten einen Knoten daran gebunden - machen Sie eine Schleife, legen Sie sie quer und ziehen Sie daran. Ein knotenloser Faden bezeichnet einen eindimensionalen Raum in einem Zustand mit minimaler Energie; Ein Faden mit einem Knoten bezeichnet einen eindimensionalen Raum im ersten angeregten Zustand. Dieser Knoten ist ein nulldimensionaler topologischer Defekt.


Ein an einen Faden gebundener Knoten ist ein Analogon eines nulldimensionalen Defekts einer eindimensionalen geraden Linie. Der Knoten, der dies bei einer Kollision widerspiegelt, kann zum Verschwinden beider Knoten und zur Wiederherstellung des Niveaus mit minimaler Energie führen

Und jetzt können Sie mit der Zeile, die die Knoten enthält, etwas Interessantes tun. Sie können genau den gleichen Knoten knüpfen und haben zwei topologische Fehler, die Ihre Auswirkungen zusammenfassen. Wenn Sie jedoch einen Knoten in die entgegengesetzte Richtung binden - Spiegel, erhalten Sie einen Knoten, der dem Original topologisch entgegengesetzt ist. Wenn Sie diese beiden Knoten zusammenführen, werden Sie feststellen, dass sie sich gegenseitig lösen können, was Sie in einen Zustand mit minimaler Energie zurückführt.

Diese beiden Arten von nulldimensionalen Defekten - ein Knoten und ein Anti-Knoten - haben physikalische Analoga in unserem Universum: magnetische Monopole. Der Knoten entspricht einem isolierten Nordmagnetpol; Der Anti-Knoten entspricht einem isolierten Südmagnetpol. Wenn Sie sie zusammenbringen, vernichten sie sich wie Materie und Antimaterie und bringen das Gefüge der Raumzeit in einen Zustand mit minimaler Energie zurück. Da Monopole Punktteilchen sind, würden sie sich wie gewöhnliche Materie verhalten, nicht sehr verschieden von den elektrischen Monopolen (positive und negative elektrische Ladungen), die in unserem Universum existieren.


Das Konzept eines magnetischen Monopols, der Magnetfeldlinien auf ähnliche Weise emittiert wie eine isolierte elektrische Ladung elektrische Feldlinien emittiert

Nun zurück zu unserem dreidimensionalen Universum. Sie können sich nicht nur Punktfehler vorstellen, sondern auch Fehler mit einer Vielzahl von Messungen:

• Kosmische Strings: Eine eindimensionale gerade Linie verläuft durch das gesamte beobachtbare Universum.
• Domänenwände: Eine zweidimensionale Ebene mit unregelmäßigen Eigenschaften zieht sich durch das gesamte Universum.
• Raumstrukturen: Ein Abschnitt des dreidimensionalen Raums, der "zu einem Knoten verbunden" ist.

Unter den möglichen Defekten haben wir also einen Monopol (0-D), eine Schnur (1-D), eine Wand (2-D) und eine Textur (3-D), und alle erscheinen als Ergebnis der Arbeit verschiedener Mechanismen, gehören aber zu einem Klasse: Sie erscheinen, wenn die Symmetrie unterbrochen ist.


Unterschiede zwischen dem im Rahmen der Standardkosmologie (links) geschaffenen Universum und dem mit einem entwickelten Netzwerk topologischer Defekte (rechts) auftretenden Universum führen zum Auftreten völlig unterschiedlicher großräumiger Strukturen. Unsere Beobachtungen markieren ziemlich sicher kosmische Strings und Domänenwände als die dominierenden Komponenten des modernen Universums

Die Verletzung der Symmetrie für die Physik ist eine ernste Angelegenheit. Alle vorhandenen Symmetrien entsprechen konservierten Größen. Wenn also die Symmetrie verletzt wird, funktioniert das Konservierungsgesetz dieser Größe nicht mehr. Monopole können durch Aufbrechen der Kugelsymmetrie erhalten werden; Saiten - axiale oder zylindrische Symmetrie brechen; Domänenwände - Aufbrechen der diskreten Symmetrie (Parität oder Spiegelreflexion). Fehler anderer Art sind schwieriger zu verstehen, treten jedoch häufig bei der Arbeit mit zusätzlichen Dimensionen auf. Die ersten drei davon - Monopole, kosmische Strings und Domänenwände - sind jedoch für die Kosmologie besonders interessant.


Die Idee der Vereinigung besagt, dass alle drei Wechselwirkungen des Standardmodells und möglicherweise sogar die Schwerkraft bei hohen Energien auf einer einzigen Plattform kombiniert werden

Sie wissen, dass es neben dem Standardmodell noch etwas anderes geben muss, und es hat viele Erweiterungen, deren Folgen sehr beeindruckend sein können. Eine davon ist die Idee der Großen Vereinigung , nach der sich die elektromagnetischen, schwachen und starken nuklearen Wechselwirkungen bei hoher Energie verbinden. Dies würde nicht nur zum Vorhandensein neuer Partikel und Wechselwirkungen führen, sondern auch zum Auftreten magnetischer Monopole im Moment des Aufbrechens der Symmetrie, die eine starke Wechselwirkung mit zwei anderen zusammenhält. Das Fehlen magnetischer Monopole im beobachteten Universum wird häufig als Beweis für die kosmische Inflation dargestellt, und die Tatsache, dass sich das Universum am Ende der Inflation nicht ausreichend erwärmt, um die Symmetrie der Großen Vereinigung wiederherzustellen, wird als zusätzlicher Beweis angeführt.


Wenn die Wiederherstellung der Symmetrie der Großen Vereinigung gebrochen würde, würde eine große Anzahl magnetischer Monopole auftreten. Aber unser Universum stellt sie uns nicht zur Verfügung; Wenn nach diesem Aufbrechen der Symmetrie eine kosmische Inflation auftrat, kann im beobachtbaren Universum nicht mehr als ein magnetischer Monopol vorhanden sein.

Kosmische Strings und Domänenwände (falls vorhanden) sollten während der Phasenübergänge kurz nach dem Ende der Inflation auftreten. Zusätzliche Symmetrien können bei hohen Energieniveaus existieren, die in den frühen Momenten des Lebens des Universums wiederhergestellt werden, und die beschriebenen Defekte können während ihrer Zerstörung auftreten. Kosmische Strings und Domänenwände - einzelne oder ganze Netzwerke - würden Anzeichen ihrer Anwesenheit in großräumigen Strukturen des Universums hinterlassen, Texturen würden in Reliktstrahlung sichtbar sein und magnetische Monopole in direkten Experimenten, um sie zu erkennen. Einige Physiker weisen ironischerweise auf den einzigen magnetischen Monopol hin, der auf St. Valentinstag 1982 als Beweis für kosmische Inflation: Im Universum gibt es nur ein Monopol, und wir haben es gesehen!


In einem von Blas Cabrera durchgeführten Experiment mit einem verdrillten Draht mit acht Schleifen wurde 1982 eine Änderung des Flusses von acht Magnetonen festgestellt: ein Hinweis auf einen magnetischen Monopol. Leider war zum Zeitpunkt der Entdeckung niemand im Labor, und es ist noch niemandem gelungen, das Ergebnis zu reproduzieren oder den zweiten Monopol zu finden.

Und wenn sich Monopole wie gewöhnliche Materie verhalten würden, würden kosmische Strings, Domänenwände oder kosmologische Texturen die Expansion des Universums sehr aktiv beeinflussen. Kosmische Strings würden sich wie die Krümmung des Raums verhalten, die auf 0,4% der Gesamtenergiedichte begrenzt ist, und die Wände der Domänen würden eine Art dunkle Energie erzeugen, die das Universum beschleunigt - aber dies wäre eine zu schwache Beschleunigung, die die Prozesse, die wir sehen, nicht erklären würde. Der Einfluss kosmologischer Texturen wäre vergleichbar mit dem Einfluss einer kosmologischen Konstante, aber um alle verfügbaren Beobachtungen zu erklären, müsste man akzeptieren, dass sich das gesamte beobachtbare Universum in einem einzigen Defekt befindet!


Die verschiedenen Komponenten und Beiträge zur Energiedichte des Universums und der Zeitpunkt, zu dem sie sich durchsetzen könnten. Wenn es genügend kosmische Strings oder Domänenwände gäbe, würden sie einen wesentlichen Beitrag zur Expansion des Universums leisten.

Wenn es Monopole, Schnüre, Wände, Texturen gibt, müssen sie extrem schwer sein. Monopole sollten die massereichsten aller offenen Partikel sein - ungefähr 10–14-mal so massereich wie der obere Quark. Strings, Wände und Texturen müssten die Rolle von Embryonen großräumiger Strukturen spielen, die in der Zeit vor der Bildung anderer Strukturen Materie zusammenziehen und angesichts der derzeitigen Fähigkeiten von Teleskopen, Beobachtungen und CMB-Daten sehr offensichtliche Spuren von Präsenz erzeugen. Derzeitige Einschränkungen deuten darauf hin, dass solche Strukturen nicht in großer Zahl vorhanden sind und nicht mehr als einige Prozent des gesamten Weltraum-Energiebudgets ausmachen können.


Unsere Reliktstrahlung und das Spektrum ihrer Schwankungen weisen auf eine Skaleninvarianz hin, während ein Netzwerk kosmischer Strings auf der linken Seite des Diagramms einen sehr steilen Anstieg ergeben würde

Bis heute gibt es keine Hinweise auf Defekte im Universum, mit Ausnahme der einzigen Beobachtung eines magnetischen Monopols, die vor 35 Jahren gemacht wurde. Obwohl wir ihre Existenz nicht widerlegen können (wir können ihnen nur Beschränkungen auferlegen), müssen wir auf die Möglichkeit vorbereitet sein, dass diese topologischen Effekte nicht verboten werden und dass viele Erweiterungen des Standardmodells sie zwangsläufig mit sich bringen werden. In vielen Szenarien erklärt sich ihre Abwesenheit dadurch, dass etwas anderes sie unterdrückt. Der Mangel an Beweisen ist kein Beweis für die Abwesenheit, aber bis wir etwas anderes sehen, das die Realität der topologischen Defekte des Universums anzeigt, müssen wir diese Idee im Bereich der Theorien belassen.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).

FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht? warum das Alter des Universums nicht mit dem Radius seines beobachteten Teils übereinstimmt .