La estructura del espacio-tiempo es un concepto bastante complicado de entender. Gracias a la teoría general de la relatividad de Einstein, podemos abordarla.La lección más importante de la relatividad general de Einstein es el hecho de que el espacio no es una esencia plana, inmutable y absoluta. Se entrelaza con el tiempo en una sola tela: espacio-tiempo. Este tejido es continuo, liso, se dobla y se deforma en presencia de materia y energía. Todo lo que existe en el espacio-tiempo se mueve a lo largo de caminos determinados por su curvatura, y este movimiento está limitado por la velocidad de la luz. Pero, ¿y si aparecen defectos en este tejido? Esto no es ciencia ficción, sino una idea real en física teórica, y esta semana nuestro lector hace una pregunta al respecto:
Me gustaría proponer un tema de discusión como las reliquias de las altas energías: muros de dominio, cuerdas cósmicas , monopolos , etc. Sería interesante leer acerca de cuáles son estos defectos, de dónde provienen, qué propiedades pueden tener y lo que es más interesante para mí es cómo pueden verse e interactuar con el universo "ordinario".
Resulta que es matemáticamente muy fácil obtener un universo defectuoso.
El comportamiento gravitacional de la Tierra alrededor del Sol no ocurre debido a la atracción gravitacional invisible: es mejor describirlo como si la Tierra cayera libremente en un espacio curvo, donde el Sol juega el papel principal. Pero en este caso, la curvatura del espacio será bastante pequeña y no tendrá defectos.Imagina el espacio. ¿Cómo se ve? ¿Te imaginas un espacio vacío, liso, homogéneo? ¿Crees que las únicas desviaciones de esta imagen se deben a masas y cantidades de energía? Este es un buen enfoque comúnmente utilizado por los físicos. En las escalas más grandes, debe ser una red tridimensional, con pequeñas desviaciones en forma de secciones con una pequeña curvatura espacial, creando una fuerza de gravedad conocida. De esta forma, el espacio estará en el estado con menos energía.
El tejido del espacio-tiempo, con ondas y deformaciones causadas por la masa. Pero hasta donde sabemos, el espacio nunca se pliega o pliega¿Qué pasa con los estados emocionados? ¿Qué pasa con otras condiciones? Para simplificar, eliminamos dos dimensiones espaciales y dejamos solo una: la línea recta. Una línea recta puede ser recta, abierta e infinita, o puede cerrarse como un bucle. Ambas opciones son directas en un estado con energía mínima. ¿Cómo será un estado de mayor energía? Tome nuestra línea recta y hágalo flexible, como un hilo. Ahora imagine que le hicimos un nudo: haga un bucle, póngalo en forma transversal y tire de él. Un hilo sin nudos denota un espacio unidimensional en un estado con mínima energía; un hilo con un nudo denota un espacio unidimensional en el primer estado excitado. Este nodo es un defecto topológico de dimensión cero.
Un nudo atado a un hilo es un análogo de un defecto de dimensión cero de una línea recta unidimensional. El nudo, reflejando esto, en una colisión puede conducir a la desaparición de ambos y la restauración del nivel con mínima energía.Y ahora con la línea que contiene los nodos, puede hacer algo interesante. Puede atar exactamente el mismo nudo y tendrá dos defectos topológicos que resumen su impacto. Pero si ata un nudo en la dirección opuesta: espejo, obtendrá un nudo que es topológicamente opuesto al original. Si une estos dos nodos, descubrirá que pueden desatarse mutuamente, lo que lo llevará de regreso a un estado con mínima energía.
Estos dos tipos de defectos de dimensión cero, un nodo y un antinodo, tienen análogos físicos en nuestro Universo: monopolos magnéticos. El nodo corresponde a un polo norte magnético aislado; el antinodo corresponde a un polo magnético sur aislado. Si los junta, se aniquilan, como la materia y la antimateria, y devuelven la estructura del espacio-tiempo a un estado con mínima energía. Como los monopolos son partículas puntuales, se comportarían como materia ordinaria, no muy diferente de los monopolos eléctricos (cargas eléctricas positivas y negativas) existentes en nuestro Universo.
El concepto de un monopolo magnético que emite líneas de campo magnético de manera similar a cómo una carga eléctrica aislada emite líneas de campo eléctricoAhora volvamos a nuestro universo tridimensional. Puede imaginar no solo defectos puntuales, sino también defectos con una gran cantidad de mediciones:
- Cuerdas cósmicas: una línea recta unidimensional atraviesa todo el Universo observable.
- Muros de dominios: un plano bidimensional con propiedades irregulares atraviesa todo el universo.
- Estructuras espaciales: una sección del espacio tridimensional "atado en un nudo".
Entonces, entre los posibles defectos, tenemos un monopolo (0-D), una cuerda (1-D), una pared (2-D) y una textura (3-D), y todos ellos aparecen como resultado del trabajo de diferentes mecanismos, pero que pertenecen a uno clase: aparecen cuando se rompe la simetría.
Las diferencias entre el Universo creado en el marco de la cosmología estándar (izquierda) y el que apareció con una red desarrollada de defectos topológicos (derecha) conducen a la aparición de estructuras a gran escala completamente diferentes. Nuestras observaciones marcan con bastante confianza las cadenas cósmicas y las paredes de dominio como los componentes dominantes del Universo moderno.La violación de la simetría para la física es un asunto serio. Todas las simetrías existentes corresponden a cantidades conservadas; por lo tanto, cuando se viola la simetría, la ley de conservación de esta cantidad deja de funcionar. Los monopolos se pueden obtener rompiendo la simetría esférica; cuerdas - rompiendo simetría axial o cilíndrica; muros de dominio - rompiendo simetría discreta (paridad o reflejo de espejo). Los defectos de un tipo diferente son más difíciles de entender, pero a menudo se encuentran cuando se trabaja con dimensiones adicionales. Sin embargo, los primeros tres de estos (monopolios, cadenas cósmicas y muros de dominio) son especialmente interesantes para la cosmología.
La idea de la unificación establece que las tres interacciones del Modelo Estándar, y posiblemente incluso la gravedad, a altas energías se combinan en una sola plataforma.Usted sabe que, además del Modelo Estándar, debe haber algo más, y tiene muchas extensiones, cuyas consecuencias pueden ser muy impresionantes. Una de ellas es la idea de la
Gran Unificación , de acuerdo con la cual las interacciones nucleares electromagnéticas, débiles y fuertes se combinan a alta energía. Esto conduciría no solo a la presencia de nuevas partículas e interacciones, sino también a la aparición de monopolos magnéticos en el momento de romper la simetría, que mantiene una fuerte interacción junto con otras dos. La ausencia de monopolos magnéticos en el Universo observado a menudo se presenta como evidencia de inflación cósmica, y el hecho de que el Universo al final de la inflación no se calienta lo suficiente como para restaurar la simetría de la Gran Unificación se cita como evidencia adicional.
Si la restauración de la simetría de la Gran Unificación se rompiera, aparecerían una gran cantidad de monopolos magnéticos. Pero nuestro universo no nos los proporciona; Si la inflación cósmica ocurrió después de esta ruptura de la simetría, en el Universo observable no puede estar presente más de un monopolo magnético.Se suponía que las cadenas cósmicas y los muros de dominio (si existen) aparecían durante las transiciones de fase poco después del final de la inflación. Pueden existir simetrías adicionales a altos niveles de energía, que se restauran en los primeros momentos de la vida del Universo, y los defectos descritos pueden aparecer durante su destrucción. Las cadenas cósmicas y las paredes de dominio, redes únicas o completas, dejarían signos de su presencia en estructuras a gran escala del Universo, las texturas serían visibles en radiación relicta y los monopolos magnéticos en experimentos directos para detectarlos. Algunos físicos señalan irónicamente el único monopolo magnético
descubierto en St. Valentine en 1982 como evidencia de inflación cósmica: en el universo solo hay un monopolio, ¡y lo vimos!
En 1982, un experimento dirigido por Blas Cabrera con un cable trenzado de ocho bucles detectó un cambio en el flujo de ocho magnetonos: evidencia de un monopolo magnético. Desafortunadamente, nadie estaba en el laboratorio en el momento del descubrimiento, y nadie ha logrado reproducir el resultado o encontrar el segundo monopolo.Y si los monopolos se comportaran como la materia ordinaria, entonces las cadenas cósmicas, los muros de dominio o las texturas cosmológicas influirían muy activamente en la expansión del Universo. Las cadenas cósmicas se comportarían como la curvatura del espacio, limitada al 0,4% de la densidad de energía total, y las paredes de los dominios crearían una especie de energía oscura que acelera el Universo, pero esto sería una aceleración demasiado débil que no explicaría los procesos que estamos viendo. La influencia de las texturas cosmológicas sería comparable con la influencia de una constante cosmológica, pero para explicar todas las observaciones disponibles, ¡uno tendría que aceptar que todo el Universo observable está dentro de un solo defecto!
Los diversos componentes y contribuciones a la densidad de energía del universo, y el momento en que podrían prevalecer. Si hubiera suficientes cadenas cósmicas o muros de dominio, harían una contribución significativa a la expansión del universo.Si hay monopolos, cuerdas, paredes, texturas, entonces deben ser extremadamente pesados. Los monopolos deben ser las partículas abiertas más masivas de todas, aproximadamente 10–14 veces más masivas que el quark superior. Las cadenas, las paredes y las texturas tendrían que desempeñar el papel de embriones de estructuras a gran escala, uniendo la materia en el período anterior a la formación de cualquier otra estructura y creando huellas de presencia muy obvias, dadas las capacidades actuales de los telescopios, observaciones y datos de CMB. Las limitaciones actuales indican que tales estructuras no existen en grandes cantidades, y no pueden existir más que un pequeño porcentaje del presupuesto total de energía espacial.
Nuestra radiación relicta y el espectro de sus fluctuaciones indican invariancia de escala, mientras que una red de cuerdas cósmicas daría un aumento muy pronunciado en el lado izquierdo del gráfico.Hasta la fecha, no hay evidencia de defectos en el universo, excluyendo la única observación de un monopolo magnético hecho hace 35 años. Aunque no podemos refutar su existencia (solo podemos imponerles restricciones), debemos estar preparados para la posibilidad de que estos efectos topológicos no lo prohíban, y que muchas extensiones del Modelo Estándar inevitablemente los implicarán. En muchos escenarios, su ausencia se explica por el hecho de que algo más los suprime. La falta de evidencia no es prueba de la ausencia, pero hasta que veamos algo más que indique la realidad de los defectos topológicos del universo, tendremos que dejar esta idea en el campo de las teorías.
Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].Preguntas frecuentes: si el Universo se está expandiendo, ¿por qué no nos estamos expandiendo ? por qué la edad del Universo no coincide con el radio de su parte observada .