Tanyakan Ethan: Apakah ada cacat pada jaringan ruang-waktu?

Struktur ruang-waktu adalah konsep yang agak rumit untuk dipahami. Berkat teori relativitas umum Einstein, kita dapat mengatasinya.

Pelajaran paling penting dari relativitas umum Einstein adalah kenyataan bahwa ruang bukanlah esensi yang datar, tidak berubah, dan absolut. Dijalin bersama dengan waktu menjadi satu kain: ruang-waktu. Kain ini kontinu, halus, tertekuk dan berubah bentuk di hadapan materi dan energi. Segala sesuatu yang ada dalam ruang-waktu bergerak di sepanjang jalur yang ditentukan oleh kelengkungannya, dan gerakan ini dibatasi oleh kecepatan cahaya. Tetapi bagaimana jika cacat muncul di kain ini? Ini bukan fiksi ilmiah, tetapi ide nyata dalam fisika teoretis, dan minggu ini pembaca kita mengajukan pertanyaan tentang itu:

Saya ingin mengusulkan topik untuk diskusi seperti peninggalan energi tinggi - dinding domain, string kosmik , monopole dan sebagainya. Akan menarik untuk membaca tentang apa cacat ini, dari mana asalnya, sifat apa yang mungkin mereka miliki, dan apa yang paling menarik bagi saya adalah bagaimana mereka dapat melihat dan berinteraksi dengan alam semesta "biasa".

Ternyata secara matematis sangat mudah untuk mendapatkan Universe yang rusak.


Perilaku gravitasi Bumi di sekitar Matahari tidak terjadi karena gaya tarik gravitasi yang tidak terlihat - lebih baik menggambarkannya seolah-olah Bumi jatuh bebas di ruang melengkung, di mana Matahari memainkan peran utama. Tetapi dalam hal ini, kelengkungan ruang akan sangat kecil, dan tidak akan ada cacat di dalamnya.

Bayangkan ruangnya. Seperti apa bentuknya? Apakah Anda membayangkan ruang kosong, halus, homogen? Apakah Anda berpikir bahwa satu-satunya penyimpangan dari gambar ini adalah karena massa dan kuanta energi? Ini adalah pendekatan yang baik yang biasa digunakan oleh fisikawan. Pada skala terbesar, itu harus kisi tiga dimensi, dengan penyimpangan kecil dalam bentuk bagian dengan kelengkungan spasial kecil, menciptakan kekuatan gravitasi yang terkenal. Dalam bentuk ini, ruang akan berada dalam keadaan dengan energi paling sedikit.


Struktur ruang-waktu, dengan riak dan deformasi yang disebabkan oleh massa. Namun sejauh yang kita tahu, ruang tidak pernah terlipat atau dilipat

Bagaimana dengan keadaan tereksitasi? Bagaimana dengan kondisi lain? Untuk kesederhanaan, kami menghilangkan dua dimensi spasial dan hanya menyisakan satu: garis lurus. Garis lurus bisa lurus, terbuka, dan tak terbatas, atau bisa ditutup seperti loop. Kedua opsi ini langsung dalam keadaan dengan energi minimal. Seperti apa bentuk energi yang lebih tinggi? Ambil garis lurus kami dan buat menjadi fleksibel, seperti utas. Sekarang bayangkan kita mengikat sebuah simpul di atasnya - buat lingkaran, letakkan melintang dan tariklah. Sebuah simpul tanpa simpul menunjukkan ruang satu dimensi dalam keadaan dengan energi minimal; utas dengan satu simpul menunjukkan ruang satu dimensi dalam keadaan tereksitasi pertama. Node ini adalah cacat topologi dimensi nol.


Simpul yang diikatkan pada benang adalah analog cacat nol-dimensi dari garis lurus satu-dimensi. Simpul, mencerminkan ini, dalam tabrakan dapat menyebabkan hilangnya keduanya dan pemulihan tingkat dengan energi minimum

Dan sekarang dengan garis yang berisi node, Anda dapat melakukan sesuatu yang menarik. Anda dapat mengikat simpul yang sama persis, dan Anda akan memiliki dua cacat topologi yang merangkum dampak Anda. Tetapi jika Anda mengikat simpul pada arah yang berlawanan - cermin, Anda mendapatkan simpul yang secara topologis berlawanan dengan aslinya. Jika Anda menyatukan dua simpul ini, Anda akan menemukan bahwa keduanya dapat saling melepaskan, yang akan membawa Anda kembali ke keadaan dengan energi minimal.

Kedua jenis cacat nol-dimensi ini - sebuah simpul dan anti-simpul - memiliki analog fisik di Semesta kita: monopole magnetik. Node sesuai dengan kutub magnet utara yang terisolasi; anti-node berhubungan dengan kutub magnet selatan yang terisolasi. Jika Anda menyatukan mereka, mereka musnah, seperti materi dan antimateri, dan mengembalikan struktur ruang-waktu ke keadaan dengan energi minimal. Karena monopole adalah partikel titik, mereka akan berperilaku seperti materi biasa, tidak jauh berbeda dari monopole listrik (muatan listrik positif dan negatif) yang ada di alam semesta kita.


Konsep monopole magnetik memancarkan garis medan magnet dengan cara yang mirip dengan bagaimana muatan listrik terisolasi memancarkan garis medan listrik

Sekarang kembali ke alam semesta tiga dimensi kita. Anda dapat membayangkan tidak hanya cacat titik, tetapi juga cacat dengan sejumlah besar pengukuran:

• String kosmik: garis lurus satu dimensi melewati seluruh Alam Semesta yang dapat diamati.
• Walls of domains: pesawat dua dimensi dengan sifat tidak beraturan melewati seluruh Semesta.
• Struktur ruang: bagian dari ruang tiga dimensi "diikat menjadi simpul."

Jadi, di antara cacat yang mungkin terjadi, kita memiliki monopole (0-D), string (1-D), dinding (2-D), dan tekstur (3-D), dan semuanya muncul sebagai hasil kerja mekanisme yang berbeda, tetapi milik satu class: mereka muncul ketika simetri rusak.


Perbedaan antara Semesta yang diciptakan dalam kerangka kosmologi standar (kiri) dan yang muncul dengan jaringan cacat topologi yang dikembangkan (kanan) mengarah pada penampilan struktur skala besar yang benar-benar berbeda. Pengamatan kami cukup percaya diri menandai string kosmik dan dinding domain sebagai komponen dominan dari Semesta modern

Pelanggaran simetri untuk fisika adalah masalah serius. Semua simetri yang ada sesuai dengan jumlah yang dilestarikan, oleh karena itu, ketika simetri dilanggar, hukum konservasi dari jumlah ini berhenti bekerja. Monopole dapat diperoleh dengan memecah simetri bola; string - melanggar simetri aksial atau silinder; dinding domain - melanggar simetri diskrit (paritas atau refleksi cermin). Cacat dari jenis yang berbeda lebih sulit untuk dipahami, tetapi mereka sering ditemui ketika bekerja dengan dimensi tambahan. Namun, tiga yang pertama - monopoli, string kosmik dan dinding domain - sangat menarik untuk kosmologi.


Gagasan unifikasi menyatakan bahwa ketiga interaksi Model Standar, dan mungkin bahkan gravitasi, pada energi tinggi digabungkan pada satu platform tunggal.

Anda tahu bahwa selain Model Standar pasti ada sesuatu yang lain, dan ia memiliki banyak ekstensi, yang konsekuensinya sangat mengesankan. Salah satunya adalah ide Unifikasi Besar , yang dengannya interaksi nuklir elektromagnetik, lemah dan kuat bergabung pada energi tinggi. Ini tidak hanya akan mengarah pada kehadiran partikel dan interaksi baru, tetapi juga pada munculnya monopole magnetik pada saat pemecahan simetri, yang menahan interaksi kuat bersama dengan dua partikel lainnya. Tidak adanya monopol magnetik di alam semesta yang diamati sering disajikan sebagai bukti inflasi kosmik, dan fakta bahwa alam semesta pada akhir inflasi tidak cukup memanaskan untuk mengembalikan simetri Unifikasi Besar disebut sebagai bukti tambahan.


Jika pemulihan simetri Unifikasi Besar rusak, sejumlah besar monopole magnetik akan muncul. Tetapi Alam Semesta kita tidak menyediakannya untuk kita; jika inflasi kosmik terjadi setelah pemecahan simetri ini, maka di alam semesta yang dapat diamati tidak ada lebih dari satu monopole magnetik.

Senar kosmik dan dinding domain (jika ada) seharusnya muncul selama fase transisi tak lama setelah akhir inflasi. Simetri tambahan mungkin ada pada tingkat energi tinggi, yang dipulihkan pada saat-saat awal kehidupan Semesta, dan cacat yang dijelaskan dapat muncul selama kehancurannya. Senar kosmik dan dinding domain - jaringan tunggal atau keseluruhan - akan meninggalkan tanda-tanda keberadaannya dalam struktur berskala besar di Semesta, tekstur akan terlihat dalam radiasi relik, dan monopol magnetik dalam eksperimen langsung untuk mendeteksi mereka. Beberapa fisikawan ironisnya menunjuk satu-satunya monopole magnetik yang ditemukan di St. Valentine pada tahun 1982 sebagai bukti inflasi kosmik: di alam semesta hanya ada satu monopoli, dan kami melihatnya!


Pada tahun 1982, sebuah eksperimen yang dipimpin oleh Blas Cabrera dengan kawat bengkok delapan loop mendeteksi perubahan fluks delapan magneton: bukti adanya monopole magnetik. Sayangnya, tidak ada seorang pun di laboratorium pada saat penemuan, dan belum ada yang berhasil mereproduksi hasilnya atau menemukan monopole kedua.

Dan jika monopole akan berperilaku seperti materi biasa, maka string kosmik, dinding domain atau tekstur kosmologis akan sangat aktif mempengaruhi perluasan Semesta. String kosmik akan berperilaku seperti kelengkungan ruang, terbatas pada 0,4% dari kepadatan energi total, dan dinding domain akan menciptakan semacam energi gelap yang mempercepat Semesta - tetapi akselerasi ini terlalu lemah yang tidak akan menjelaskan proses yang kita lihat. Pengaruh tekstur kosmologis akan sebanding dengan pengaruh konstanta kosmologis, tetapi untuk menjelaskan semua pengamatan yang tersedia, orang harus menerima bahwa seluruh Alam Semesta yang dapat diamati berada dalam satu cacat tunggal!


Berbagai komponen dan kontribusi pada kepadatan energi alam semesta, dan waktu di mana mereka bisa menang. Jika ada cukup string kosmik atau dinding domain, mereka akan memberikan kontribusi yang signifikan terhadap perluasan alam semesta.

Jika ada monopole, string, dinding, tekstur, maka pasti sangat berat. Monopole harus menjadi yang paling masif dari semua partikel terbuka - sekitar 10-14 kali lebih besar dari kuark atas. Tali, dinding, dan tekstur harus memainkan peran embrio struktur skala besar, menyatukan materi pada periode sebelum pembentukan struktur lain, dan menciptakan jejak kehadiran yang sangat jelas, mengingat kemampuan teleskop, pengamatan, dan data CMB saat ini. Keterbatasan saat ini menunjukkan bahwa struktur seperti itu tidak ada dalam jumlah besar, dan mereka dapat ada tidak lebih dari beberapa persen dari total anggaran energi ruang.


Radiasi peninggalan kita dan spektrum fluktuasi menunjukkan invarian skala, sementara jaringan string kosmik akan memberikan kenaikan yang sangat curam di sisi kiri grafik

Sampai saat ini, tidak ada bukti cacat di alam semesta, kecuali satu-satunya pengamatan monopole magnetik yang dibuat 35 tahun lalu. Meskipun kami tidak dapat menyangkal keberadaan mereka (kami hanya dapat memaksakan pembatasan pada mereka), kami perlu bersiap untuk kemungkinan bahwa efek topologis ini tidak akan melarang, dan bahwa banyak perluasan dari Model Standar pasti akan memerlukannya. Dalam banyak skenario, ketidakhadiran mereka dijelaskan oleh fakta bahwa sesuatu yang lain menekan mereka. Kurangnya bukti bukanlah bukti dari ketidakhadiran, tetapi sampai kita melihat sesuatu yang menunjukkan realitas cacat topologi alam semesta, kita harus meninggalkan ide ini di bidang teori.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia Alam Semesta tidak bertepatan dengan jari-jari bagian yang diamati .