Demandez à Ethan: Y a-t-il des défauts dans les tissus spatio-temporels?

Le tissu de l'espace-temps est un concept assez compliqué à comprendre. Grâce à la théorie générale de la relativité d'Einstein, nous pouvons y faire face.

La leçon la plus importante de la relativité générale d'Einstein est le fait que l'espace n'est pas une essence absolue plate et immuable. Il est tissé avec le temps en un seul tissu: l'espace-temps. Ce tissu est continu, lisse, il se plie et se déforme en présence de matière et d'énergie. Tout ce qui existe dans l'espace-temps se déplace le long de chemins déterminés par sa courbure, et ce mouvement est limité par la vitesse de la lumière. Mais que se passe-t-il si des défauts apparaissent dans ce tissu? Ce n'est pas de la science-fiction, mais une vraie idée en physique théorique, et cette semaine notre lecteur pose une question à ce sujet:

Je voudrais proposer un sujet de discussion comme les reliques des hautes énergies - les murs de domaine, les cordes cosmiques , les monopôles et ainsi de suite. Il serait intéressant de lire quels sont ces défauts, d'où ils viennent, quelles propriétés ils peuvent avoir, et ce qui est le plus intéressant pour moi, c'est comment ils peuvent ressembler et interagir avec l'univers "ordinaire".

Il s'avère qu'il est mathématiquement très facile d'obtenir un univers défectueux.


Le comportement gravitationnel de la Terre autour du Soleil ne se produit pas en raison de l'attraction gravitationnelle invisible - il est préférable de le décrire comme si la Terre tombait librement dans un espace incurvé, où le Soleil joue le rôle principal. Mais dans ce cas, la courbure de l'espace sera assez petite et ne comportera aucun défaut.

Imaginez l'espace. À quoi ça ressemble? Imaginez-vous un espace vide, lisse et homogène? Pensez-vous que les seuls écarts par rapport à cette image seront dus aux masses et quanta d'énergie? Il s'agit d'une bonne approche couramment utilisée par les physiciens. Aux plus grandes échelles, ce devrait être un réseau tridimensionnel, avec de petites déviations sous forme de sections avec une petite courbure spatiale, créant une force de gravité bien connue. Sous cette forme, l'espace sera dans l'état avec le moins d'énergie.


Le tissu de l'espace-temps, avec des ondulations et des déformations causées par la masse. Mais à notre connaissance, l'espace ne se replie jamais

Et les états excités? Et les autres conditions? Par souci de simplicité, nous éliminons deux dimensions spatiales et n'en laissons qu'une: la ligne droite. Une ligne droite peut être droite, ouverte et infinie, ou elle peut être fermée comme une boucle. Ces deux options sont directes dans un état avec un minimum d'énergie. À quoi ressemblera un état d'énergie plus élevé? Prenez notre ligne droite et rendez-la flexible, comme un fil. Imaginez maintenant que nous avons fait un nœud dessus - faites une boucle, mettez-la en travers et tirez-la. Un fil sans nœud désigne un espace unidimensionnel dans un état avec une énergie minimale; un fil avec un nœud désigne un espace unidimensionnel dans le premier état excité. Ce nœud est un défaut topologique de dimension zéro.


Un nœud lié à un fil est un analogue d'un défaut de dimension zéro d'une ligne droite unidimensionnelle. Le nœud, reflétant cela, dans une collision peut entraîner la disparition des deux et la restauration du niveau avec un minimum d'énergie

Et maintenant, avec la ligne contenant les nœuds, vous pouvez faire quelque chose d'intéressant. Vous pouvez faire exactement le même nœud et vous aurez deux défauts topologiques qui résument votre impact. Mais si vous faites un nœud dans la direction opposée - miroir, vous obtenez un nœud qui est topologiquement opposé à l'original. Si vous rapprochez ces deux nœuds, vous constaterez qu'ils peuvent se détacher mutuellement, ce qui vous ramènera à un état avec une énergie minimale.

Ces deux types de défauts de dimension nulle - un nœud et un anti-nœud - ont des analogues physiques dans notre univers: les monopôles magnétiques. Le nœud correspond à un pôle magnétique nord isolé; l'anti-nœud correspond à un pôle magnétique sud isolé. Si vous les rassemblez, ils s'anéantissent, comme la matière et l'antimatière, et ramènent le tissu de l'espace-temps dans un état avec un minimum d'énergie. Puisque les monopôles sont des particules ponctuelles, ils se comporteraient comme de la matière ordinaire, pas très différente des monopôles électriques (charges électriques positives et négatives) existant dans notre Univers.


Le concept d'un monopôle magnétique émettant des lignes de champ magnétique d'une manière similaire à la façon dont une charge électrique isolée émet des lignes de champ électrique

Revenons maintenant à notre univers en trois dimensions. Vous pouvez imaginer non seulement des défauts ponctuels, mais aussi des défauts avec un grand nombre de mesures:

• Cordes cosmiques: une ligne droite unidimensionnelle traverse tout l'univers observable.
• Murs de domaines: un plan bidimensionnel aux propriétés irrégulières traverse tout l'Univers.
• Structures spatiales: une section d'espace tridimensionnel «attachée en un nœud».

Ainsi, parmi les défauts possibles, nous avons un monopôle (0-D), une chaîne (1-D), un mur (2-D) et une texture (3-D), et tous apparaissent comme le résultat du travail de différents mécanismes, mais appartenant à un seul classe: ils apparaissent lorsque la symétrie est rompue.


Les différences entre l'Univers créé dans le cadre de la cosmologie standard (à gauche) et celui qui est apparu avec un réseau développé de défauts topologiques (à droite) conduisent à l'apparition de structures à grande échelle complètement différentes. Nos observations marquent en toute confiance les cordes cosmiques et les murs de domaine comme les composants dominants de l'Univers moderne

La violation de la symétrie pour la physique est une affaire sérieuse. Toutes les symétries existantes correspondent à des quantités conservées; par conséquent, lorsque la symétrie est violée, la loi de conservation de cette quantité cesse de fonctionner. Les monopôles peuvent être obtenus en brisant la symétrie sphérique; cordes - rupture de symétrie axiale ou cylindrique; murs de domaine - rupture de symétrie discrète (parité ou réflexion miroir). Les défauts de nature différente sont plus difficiles à comprendre, mais ils sont souvent rencontrés lors du travail avec des dimensions supplémentaires. Cependant, les trois premiers d'entre eux - monopoles, chaînes cosmiques et murs de domaine - sont particulièrement intéressants pour la cosmologie.


L'idée d'unification stipule que les trois interactions du modèle standard, et peut-être même la gravité, aux hautes énergies sont combinées sur une seule plate-forme

Vous savez qu'en plus du modèle standard, il doit y avoir autre chose, et il a de nombreuses extensions, dont les conséquences peuvent être très impressionnantes. L'un d'eux est l'idée de la Grande Unification , selon laquelle les interactions électromagnétiques, faibles et fortes se combinent à une certaine énergie. Cela conduirait non seulement à la présence de nouvelles particules et interactions, mais aussi à l'apparition de monopôles magnétiques au moment de briser la symétrie, qui détient une forte interaction avec deux autres. L'absence de monopôles magnétiques dans l'Univers observé est souvent présentée comme une preuve de l'inflation cosmique, et le fait que l'Univers à la fin de l'inflation ne se réchauffe pas suffisamment pour restaurer la symétrie de la Grande Unification est cité comme preuve supplémentaire.


Si la restauration de la symétrie de la Grande Unification était rompue, un grand nombre de monopôles magnétiques apparaîtraient. Mais notre Univers ne nous les fournit pas; si l'inflation cosmique s'est produite après cette rupture de symétrie, alors dans l'Univers observable, il ne peut y avoir plus d'un monopôle magnétique.

Les cordes cosmiques et les murs de domaine (s'ils existent) devaient apparaître lors des transitions de phase peu après la fin de l'inflation. Des symétries supplémentaires peuvent exister à des niveaux d'énergie élevés, qui sont restaurés dans les premiers moments de la vie de l'Univers, et les défauts décrits peuvent apparaître lors de leur destruction. Les chaînes cosmiques et les murs de domaine - réseaux simples ou entiers - laisseraient des signes de leur présence dans les structures à grande échelle de l'Univers, les textures seraient visibles dans les radiations reliques et les monopôles magnétiques dans des expériences directes pour les détecter. Certains physiciens pointent ironiquement vers le seul monopôle magnétique découvert sur St. Valentin en 1982 comme preuve de l'inflation cosmique: dans l'univers il n'y a qu'un seul monopole, et nous l'avons vu!


En 1982, une expérience menée par Blas Cabrera avec un fil torsadé à huit boucles a détecté un changement de flux de huit magnétons: preuve d'un monopôle magnétique. Malheureusement, personne n'était dans le laboratoire au moment de la découverte, et personne n'a encore réussi à reproduire le résultat ou à trouver le deuxième monopole.

Et si les monopôles se comportaient comme de la matière ordinaire, alors les cordes cosmiques, les murs de domaine ou les textures cosmologiques influenceraient très activement l'expansion de l'Univers. Les cordes cosmiques se comporteraient comme la courbure de l'espace, limitée à 0,4% de la densité d'énergie totale, et les murs des domaines créeraient une sorte d'énergie sombre qui accélère l'Univers - mais ce serait une accélération trop faible qui n'expliquerait pas les processus que nous voyons. L'influence des textures cosmologiques serait comparable à l'influence d'une constante cosmologique, mais pour expliquer toutes les observations disponibles, il faudrait accepter que tout l'Univers observable se trouve à l'intérieur d'un seul défaut!


Les différentes composantes et contributions à la densité d'énergie de l'univers, et le moment où elles pourraient prévaloir. S'il y avait suffisamment de cordes cosmiques ou de murs de domaine, ils contribueraient considérablement à l'expansion de l'univers.

S'il y a des monopôles, des cordes, des murs, des textures, ils doivent être extrêmement lourds. Les monopôles devraient être les plus massifs de toutes les particules ouvertes - environ 10 à 14 fois plus massifs que le quark supérieur. Les cordes, les murs et les textures devraient jouer le rôle d'embryons de structures à grande échelle, rassemblant la matière au cours de la période précédant la formation de toute autre structure et créant des traces de présence très évidentes, compte tenu des capacités actuelles des télescopes, des observations et des données CMB. Les limitations actuelles indiquent que de telles structures n'existent pas en grand nombre et qu'elles ne peuvent exister que pour quelques pour cent du budget énergétique total de l'espace.


Notre rayonnement relique et le spectre de ses fluctuations indiquent une invariance d'échelle, tandis qu'un réseau de cordes cosmiques donnerait une élévation très abrupte sur le côté gauche du graphique

À ce jour, il n'y a aucune preuve de défauts dans l'univers, à l'exception de la seule observation d'un monopôle magnétique réalisée il y a 35 ans. Bien que nous ne puissions pas réfuter leur existence (nous ne pouvons que leur imposer des restrictions), nous devons être préparés à la possibilité que ces effets topologiques ne les interdisent pas et que de nombreuses extensions du modèle standard les entraînent inévitablement. Dans de nombreux scénarios, leur absence s'explique par le fait que quelque chose d'autre les supprime. Le manque de preuves n'est pas une preuve de l'absence, mais jusqu'à ce que nous voyions autre chose qui indique la réalité des défauts topologiques de l'univers, nous devrons laisser cette idée dans le domaine des théories.

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].

FAQ: si l'Univers se développe, pourquoi ne nous développons-nous pas ? pourquoi l'âge de l'Univers ne coïncide pas avec le rayon de sa partie observée .