एथन से पूछें: क्या अंतरिक्ष-समय के ऊतक में दोष हैं?

अंतरिक्ष-समय का कपड़ा समझने के लिए एक जटिल अवधारणा है। आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत के लिए धन्यवाद, हम इससे निपट सकते हैं।

आइंस्टीन की सामान्य सापेक्षता का सबसे महत्वपूर्ण सबक यह तथ्य है कि अंतरिक्ष एक सपाट, अपरिवर्तनीय, पूर्ण सार नहीं है। इसे एक ही कपड़े में समय के साथ बुना जाता है: अंतरिक्ष-समय। यह कपड़ा निरंतर, चिकना होता है, यह पदार्थ और ऊर्जा की उपस्थिति में झुकता और ख़राब होता है। अंतरिक्ष-समय में मौजूद हर चीज अपने वक्रता द्वारा निर्धारित रास्तों के साथ चलती है, और यह गति प्रकाश की गति से सीमित होती है। लेकिन क्या होगा अगर इस कपड़े में दोष दिखाई दें? यह विज्ञान कथा नहीं है, बल्कि सैद्धांतिक भौतिकी में एक वास्तविक विचार है, और इस सप्ताह हमारा पाठक इसके बारे में एक प्रश्न पूछता है:

मैं उच्च ऊर्जा के अवशेष के रूप में चर्चा के लिए इस तरह के विषय का प्रस्ताव करना चाहता हूं - डोमेन दीवारें, कॉस्मिक स्ट्रिंग्स , मोनोपोल और इतने पर। यह पढ़ना दिलचस्प होगा कि ये दोष क्या हैं, वे कहाँ से आते हैं, उनके पास क्या गुण हैं, और मेरे लिए सबसे दिलचस्प यह है कि वे "साधारण" ब्रह्मांड के साथ कैसे दिख सकते हैं और बातचीत कर सकते हैं।

यह पता चला है कि यह एक दोषपूर्ण यूनिवर्स पाने के लिए गणितीय रूप से बहुत आसान है।


सूर्य के चारों ओर पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण व्यवहार अदृश्य गुरुत्वाकर्षण आकर्षण के कारण नहीं होता है - इसका वर्णन करना बेहतर है जैसे कि पृथ्वी स्वतंत्र रूप से घुमावदार स्थान पर गिरती है, जहां सूर्य मुख्य भूमिका निभाता है। लेकिन इस मामले में, अंतरिक्ष की वक्रता काफी छोटी होगी, और इसमें कोई दोष नहीं होगा।

अंतरिक्ष की कल्पना करो। यह कैसा दिखता है? क्या आप एक खाली, चिकनी, सजातीय स्थान की कल्पना करते हैं? क्या आपको लगता है कि इस चित्र से केवल विचलन जन और ऊर्जा की मात्रा के कारण होगा? यह एक अच्छा तरीका है जो आमतौर पर भौतिकविदों द्वारा उपयोग किया जाता है। सबसे बड़े पैमाने पर, यह एक त्रि-आयामी जाली होना चाहिए, जिसमें एक छोटे स्थानिक वक्रता वाले वर्गों के रूप में छोटे विचलन होते हैं, जो गुरुत्वाकर्षण के एक प्रसिद्ध बल का निर्माण करते हैं। इस रूप में, अंतरिक्ष कम से कम ऊर्जा के साथ राज्य में होगा।


अंतरिक्ष-समय के कपड़े, द्रव्यमान के कारण तरंग और विकृतियों के साथ। लेकिन जहाँ तक हम जानते हैं, अंतरिक्ष कभी भी तह या तह नहीं बनाता है

उत्साहित राज्यों के बारे में क्या? अन्य स्थितियों के बारे में क्या? सरलता के लिए, हम दो स्थानिक आयामों को समाप्त करते हैं और केवल एक को छोड़ते हैं: सीधी रेखा। एक सीधी रेखा सीधी, खुली और अनंत हो सकती है, या इसे लूप की तरह बंद किया जा सकता है। ये दोनों विकल्प न्यूनतम ऊर्जा वाले राज्य में प्रत्यक्ष हैं। एक उच्च ऊर्जा राज्य कैसा दिखेगा? हमारी सीधी रेखा लें और इसे एक धागे की तरह लचीला बनाएं। अब कल्पना करें कि हमने उस पर एक गाँठ बांध दिया - एक लूप बनाओ, इसे क्रॉसवाइज़ रखो और इसे खींचो। एक गाँठ रहित धागा न्यूनतम ऊर्जा के साथ एक राज्य में एक आयामी स्थान को दर्शाता है; एक गाँठ वाला एक धागा पहले उत्तेजित अवस्था में एक आयामी स्थान को दर्शाता है। यह नोड एक शून्य-आयामी टोपोलॉजिकल दोष है।


एक धागे से बंधा एक गाँठ एक-आयामी सीधी रेखा के शून्य-आयामी दोष का एक एनालॉग है। इस टकराव में गाँठ, एक टकराव, दोनों के गायब होने और आपातकालीन ऊर्जा के साथ स्तर की बहाली के लिए नेतृत्व कर सकता है

और अब नोड्स वाली रेखा के साथ, आप कुछ दिलचस्प कर सकते हैं। आप एक ही गाँठ बाँध सकते हैं, और आपके पास दो सामयिक दोष होंगे जो आपके प्रभाव को संक्षेप में प्रस्तुत करेंगे। लेकिन अगर आप विपरीत दिशा में एक गाँठ बाँधते हैं - दर्पण, तो आपको एक गाँठ मिलती है जो टोपोलॉजिकल रूप से मूल के विपरीत होती है। यदि आप इन दो नोड्स को एक साथ लाते हैं, तो आप पाएंगे कि वे एक-दूसरे को परस्पर जोड़ सकते हैं, जो आपको न्यूनतम ऊर्जा के साथ एक स्थिति में वापस ले जाएगा।

ये दो प्रकार के शून्य-आयामी दोष - एक नोड और एक एंटी-नोड - हमारे ब्रह्मांड में भौतिक एनालॉग हैं: चुंबकीय मोनोपोल। नोड एक पृथक उत्तरी चुंबकीय ध्रुव से मेल खाता है; एंटी-नोड एक पृथक दक्षिण चुंबकीय ध्रुव से मेल खाता है। यदि आप उन्हें एक साथ लाते हैं, तो वे पदार्थ और एंटीमैटर की तरह सत्यानाश करते हैं, और अंतरिक्ष-समय के कपड़े को न्यूनतम ऊर्जा के साथ एक राज्य में वापस कर देते हैं। चूंकि मोनोपोल बिंदु कण होते हैं, वे हमारे यूनिवर्स में विद्यमान इलेक्ट्रिक मोनोपोल (सकारात्मक और नकारात्मक विद्युत आवेशों) से बहुत अलग नहीं, साधारण पदार्थ की तरह व्यवहार करेंगे।


एक चुंबकीय मोनोपोल की अवधारणा एक तरह से चुंबकीय क्षेत्र लाइनों का उत्सर्जन करती है कि कैसे एक पृथक विद्युत चार्ज विद्युत क्षेत्र लाइनों का उत्सर्जन करता है

अब वापस हमारे त्रि-आयामी ब्रह्मांड में। आप न केवल बिंदु दोषों की कल्पना कर सकते हैं, बल्कि बड़ी संख्या में मापों के साथ दोष भी कर सकते हैं:

• कॉस्मिक स्ट्रिंग्स: एक आयामी सीधी रेखा पूरे अवलोकन योग्य ब्रह्मांड से होकर गुजरती है।
• डोमेन की दीवारें: अनियमित गुणों वाला एक दो-आयामी विमान पूरे ब्रह्मांड से गुजरता है।
• अंतरिक्ष संरचनाएं: तीन आयामी अंतरिक्ष का एक खंड "एक गाँठ में बंधा हुआ।"

तो, संभावित दोषों के बीच, हमारे पास एक मोनोपोल (0-डी), एक स्ट्रिंग (1-डी), एक दीवार (2-डी), और एक बनावट (3-डी) है, और ये सभी विभिन्न तंत्रों के काम के परिणामस्वरूप दिखाई देते हैं, लेकिन एक से संबंधित हैं वर्ग: वे तब दिखाई देते हैं जब समरूपता टूट जाती है।


ब्रह्माण्ड के बीच अंतर मानक ब्रह्माण्ड विज्ञान (बाएं) के ढांचे में निर्मित और जो टोपोलॉजिकल दोष (दाएं) के विकसित नेटवर्क के साथ दिखाई देते हैं, वे पूरी तरह से अलग-अलग बड़े पैमाने पर संरचनाओं की उपस्थिति का कारण बनते हैं। हमारे अवलोकन आधुनिक ब्रह्माण्ड के प्रमुख घटकों के रूप में आत्मविश्वास से लौकिक तारों और डोमेन दीवारों को चिह्नित करते हैं

भौतिकी के लिए समरूपता का उल्लंघन एक गंभीर मामला है। सभी मौजूदा समरूपता संरक्षित मात्रा के अनुरूप हैं, इसलिए, जब समरूपता का उल्लंघन किया जाता है, तो इस मात्रा का संरक्षण कानून काम करना बंद कर देता है। मोनोपोल गोलाकार समरूपता को तोड़कर प्राप्त किया जा सकता है; तार - अक्षीय या बेलनाकार समरूपता को तोड़ना; डोमेन दीवारें - असतत समरूपता (समता या दर्पण प्रतिबिंब) को तोड़ना। एक अलग तरह के दोषों को समझना अधिक कठिन है, लेकिन अतिरिक्त आयामों के साथ काम करते समय वे अक्सर सामना करते हैं। हालांकि, इनमें से पहले तीन - एकाधिकार, कॉस्मिक स्ट्रिंग्स और डोमेन दीवारें - कॉस्मोलॉजी के लिए विशेष रूप से दिलचस्प हैं।


एकीकरण के विचार में कहा गया है कि उच्च ऊर्जा पर मानक मॉडल के सभी तीन इंटरैक्शन, और संभवतः गुरुत्वाकर्षण भी एक मंच पर संयुक्त होते हैं

आप जानते हैं कि मानक मॉडल के अलावा कुछ और होना चाहिए, और इसके कई विस्तार हैं, जिसके परिणाम बहुत प्रभावशाली हो सकते हैं। उनमें से एक महान एकीकरण का विचार है, जिसके अनुसार विद्युत चुम्बकीय, कमजोर और मजबूत परमाणु इंटरैक्शन कुछ उच्च ऊर्जा पर संयोजित होते हैं। यह न केवल नए कणों और इंटरैक्शन की उपस्थिति की ओर ले जाएगा, बल्कि समरूपता को तोड़ने के क्षण में चुंबकीय मोनोपोल की उपस्थिति के लिए भी होगा, जो दो अन्य लोगों के साथ एक मजबूत बातचीत करता है। प्रेक्षित ब्रह्मांड में चुंबकीय मोनोपोल की अनुपस्थिति को अक्सर लौकिक मुद्रास्फीति के प्रमाण के रूप में प्रस्तुत किया जाता है, और यह तथ्य कि मुद्रास्फीति के अंत में ब्रह्मांड पर्याप्त रूप से गर्म नहीं होता है, महान एकीकरण की समरूपता को पुनर्स्थापित करने के लिए अतिरिक्त सबूत का हवाला दिया जाता है।


यदि महान एकीकरण की समरूपता की बहाली को तोड़ दिया गया था, तो बड़ी संख्या में चुंबकीय मोनोपोल दिखाई देंगे। लेकिन हमारा ब्रह्मांड उन्हें हमें प्रदान नहीं करता है; यदि इस समरूपता को तोड़ने के बाद लौकिक मुद्रास्फीति हुई, तो अवलोकन योग्य ब्रह्मांड में एक से अधिक चुंबकीय मोनोपोल मौजूद नहीं हो सकते हैं।

कॉस्मिक स्ट्रिंग्स और डोमेन दीवारें (यदि वे मौजूद हैं) मुद्रास्फीति के अंत के तुरंत बाद चरण संक्रमण के दौरान दिखाई देने वाली थीं। अतिरिक्त समरूपता उच्च ऊर्जा स्तरों पर मौजूद हो सकती है, जो ब्रह्मांड के जीवन के शुरुआती क्षणों में बहाल हो जाती हैं, और वर्णित दोष उनके विनाश के दौरान दिखाई दे सकते हैं। कॉस्मिक स्ट्रिंग्स और डोमेन दीवारें - एकल या पूरे नेटवर्क - यूनिवर्स की बड़े पैमाने पर संरचनाओं में उनकी उपस्थिति के संकेत छोड़ देंगे, बनावट का पता लगाने के लिए प्रत्यक्ष विकिरण में, और चुंबकीय मोनोपोल में उन्हें पता लगाने के लिए दिखाई देगा। कुछ भौतिकविद विडंबना यह है कि सेंट पर खोजे गए एकमात्र चुंबकीय मोनोपोल की ओर इशारा करते हैं ब्रह्मांडीय मुद्रास्फीति के सबूत के रूप में 1982 में वेलेंटाइन : ब्रह्मांड में केवल एक एकाधिकार है, और हमने इसे देखा!


1982 में, एक आठ-लूप ट्विस्टेड तार के साथ ब्लास कबरेरा के नेतृत्व में एक प्रयोग ने आठ मैग्नेटन के प्रवाह में बदलाव का पता लगाया: एक चुंबकीय मोनोपोल का प्रमाण। दुर्भाग्य से, कोई भी खोज के समय प्रयोगशाला में नहीं था, और कोई भी अभी तक परिणाम को पुन: उत्पन्न करने या दूसरे मोनोपोल को खोजने में कामयाब नहीं हुआ है।

और अगर मोनोपोल सामान्य पदार्थ की तरह व्यवहार करेंगे, तो कॉस्मिक स्ट्रिंग्स, डोमेन दीवारें या कॉस्मोलॉजिकल बनावट ब्रह्मांड के विस्तार को बहुत सक्रिय रूप से प्रभावित करेंगे। कॉस्मिक स्ट्रिंग्स अंतरिक्ष की वक्रता की तरह व्यवहार करेंगे, जो कुल ऊर्जा घनत्व का 0.4% तक सीमित है, और डोमेन की दीवारें एक प्रकार की अंधेरे ऊर्जा का निर्माण करेंगी जो ब्रह्मांड को गति देती हैं - लेकिन यह बहुत कमजोर त्वरण होगा जो हम देख रहे प्रक्रियाओं की व्याख्या नहीं करेंगे। ब्रह्मांडीय बनावट के प्रभाव की तुलना एक ब्रह्मांडीय स्थिरांक के प्रभाव से की जा सकती है, लेकिन सभी उपलब्ध अवलोकनों की व्याख्या करने के लिए, किसी को यह स्वीकार करना होगा कि संपूर्ण अवलोकनीय ब्रह्मांड एक ही दोष के अंदर है!


ब्रह्मांड के ऊर्जा घनत्व के लिए विभिन्न घटक और योगदान, और समय जिस पर वे प्रबल हो सकते हैं। यदि पर्याप्त ब्रह्मांडीय तार या डोमेन दीवारें होतीं, तो वे ब्रह्मांड के विस्तार में महत्वपूर्ण योगदान देते।

यदि मोनोपोल, तार, दीवारें, बनावट हैं, तो उन्हें बहुत भारी होना चाहिए। मोनोपोल सभी खुले कणों में से सबसे विशाल होना चाहिए - ऊपरी क्वार्क की तुलना में लगभग 10–14 गुना अधिक भारी। तार, दीवारों और बनावट को बड़े पैमाने पर संरचनाओं के भ्रूण की भूमिका निभानी होगी, किसी भी अन्य संरचनाओं के गठन से पहले की अवधि में एक साथ खींचना, और उपस्थिति के बहुत स्पष्ट निशान बनाना, दूरबीनों, टिप्पणियों और सीएमबी डेटा की वर्तमान क्षमताओं को देखते हुए। वर्तमान सीमाएँ बताती हैं कि ऐसी संरचनाएँ बड़ी संख्या में मौजूद नहीं हैं, और वे कुल अंतरिक्ष ऊर्जा बजट के कुछ प्रतिशत से अधिक नहीं हो सकती हैं।


हमारी राहत विकिरण और इसके उतार-चढ़ाव का स्पेक्ट्रम पैमाने पर आक्रमण को इंगित करता है, जबकि कॉस्मिक स्ट्रिंग्स का एक नेटवर्क ग्राफ के बाईं ओर बहुत तेज वृद्धि देगा

आज तक, ब्रह्मांड में दोषों का कोई सबूत नहीं है, 35 साल पहले किए गए एक चुंबकीय मोनोपोल के एकमात्र अवलोकन को छोड़कर। यद्यपि हम उनके अस्तित्व का खंडन नहीं कर सकते (हम केवल उन पर प्रतिबंध लगा सकते हैं), हमें इस संभावना के लिए तैयार रहना होगा कि ये सामयिक प्रभाव निषिद्ध नहीं होंगे, और मानक मॉडल के कई एक्सटेंशन अनिवार्य रूप से उन्हें लुभाएंगे। कई परिदृश्यों में, उनकी अनुपस्थिति को इस तथ्य से समझाया जाता है कि कुछ और उन्हें दबा देता है। सबूतों की कमी अनुपस्थिति का सबूत नहीं है, लेकिन जब तक हम कुछ और नहीं देखते हैं जो ब्रह्मांड के सामयिक दोषों की वास्तविकता को इंगित करता है, हमें इस विचार को सिद्धांतों के क्षेत्र में छोड़ना होगा।

एथन सीगल - खगोल वैज्ञानिक, विज्ञान लोकप्रिय, एक बैंग्स के साथ शुरुआत के लेखक! उन्होंने "बियॉन्ड द गैलेक्सी" [ बियॉन्ड द गैलेक्सी ], और "ट्रैकनोलॉजी: स्टार ट्रेक का विज्ञान" [ ट्रेकनोलॉजी ] किताबें लिखीं ।

यदि यूनिवर्स का विस्तार हो रहा है, तो हम विस्तार क्यों नहीं कर रहे हैं ; क्यों ब्रह्मांड की उम्र उसके मनाया भाग की त्रिज्या के साथ मेल नहीं खाती है ।