Pergunte a Ethan: Existem defeitos no tecido espaço-temporal?

O tecido do espaço-tempo é um conceito bastante complicado de entender. Graças à teoria geral da relatividade de Einstein, podemos resolvê-la.

A lição mais importante da relatividade geral de Einstein é o fato de que o espaço não é uma essência absoluta plana, imutável. É tecido junto com o tempo em um único tecido: espaço-tempo. Este tecido é contínuo, liso, dobra e se deforma na presença de matéria e energia. Tudo o que existe no espaço-tempo se move ao longo de caminhos determinados por sua curvatura, e esse movimento é limitado pela velocidade da luz. Mas e se os defeitos aparecerem nesse tecido? Isso não é ficção científica, mas uma idéia real da física teórica, e nesta semana nosso leitor faz uma pergunta sobre isso:

Eu gostaria de propor um tópico para discussão como relíquias de altas energias - paredes de domínio, cordas cósmicas , monopólos e assim por diante. Seria interessante ler sobre o que são esses defeitos, de onde eles vêm, quais propriedades eles podem ter e o que é mais interessante para mim é como eles podem parecer e interagir com o universo "comum".

Acontece que é matematicamente muito fácil obter um Universo defeituoso.


O comportamento gravitacional da Terra ao redor do Sol não ocorre devido à atração gravitacional invisível - é melhor descrevê-lo como se a Terra caísse livremente no espaço curvo, onde o Sol desempenha o papel principal. Mas neste caso, a curvatura do espaço será bem pequena e não haverá defeitos nela.

Imagine o espaço. Como é isso? Você imagina um espaço vazio, suave e homogêneo? Você acha que os únicos desvios dessa imagem serão devidos a massas e quanta de energia? Essa é uma boa abordagem comumente usada por físicos. Nas escalas maiores, deve ser uma rede tridimensional, com pequenos desvios na forma de seções com uma pequena curvatura espacial, criando uma força de gravidade bem conhecida. Dessa forma, o espaço estará no estado com menos energia.


O tecido do espaço-tempo, com ondulações e deformações causadas pela massa. Mas, tanto quanto sabemos, o espaço nunca se dobra ou se dobra

E quanto a estados excitados? E quanto a outras condições? Por simplicidade, eliminamos duas dimensões espaciais e deixamos apenas uma: a linha reta. Uma linha reta pode ser reta, aberta e infinita, ou pode ser fechada como um loop. Ambas as opções são diretas em um estado com energia mínima. Como será um estado de energia mais alto? Pegue nossa linha reta e torne-a flexível, como um fio. Agora imagine que demos um nó nele - faça um laço, coloque-o transversalmente e puxe-o. Um fio sem nós denota um espaço unidimensional em um estado com energia mínima; uma linha com um nó indica um espaço unidimensional no primeiro estado excitado. Este nó é um defeito topológico de dimensão zero.


Um nó amarrado a um fio é um análogo de um defeito de dimensão zero de uma linha reta unidimensional. O nó, refletindo isso, em uma colisão pode levar ao desaparecimento de ambos e à restauração do nível com o mínimo de energia

E agora com a linha que contém os nós, você pode fazer algo interessante. Você pode dar exatamente o mesmo nó e terá dois defeitos topológicos que resumem seu impacto. Mas se você amarrar um nó na direção oposta - o espelho, obtém um nó que é topologicamente oposto ao original. Se você juntar esses dois nós, descobrirá que eles podem se desatar mutuamente, o que o levará de volta a um estado com energia mínima.

Esses dois tipos de defeitos de dimensão zero - um nó e um anti-nó - têm análogos físicos em nosso Universo: monopólos magnéticos. O nó corresponde a um polo magnético norte isolado; o anti-nó corresponde a um polo magnético sul isolado. Se você os une, eles aniquilam, como matéria e antimatéria, e devolvem o tecido do espaço-tempo a um estado com energia mínima. Como os monopolos são partículas pontuais, eles se comportariam como matéria comum, não muito diferente dos monopolos elétricos (cargas elétricas positivas e negativas) existentes em nosso Universo.


O conceito de um monopolo magnético emitindo linhas de campo magnético de maneira semelhante à maneira como uma carga elétrica isolada emite linhas de campo elétrico

Agora, de volta ao nosso universo tridimensional. Você pode imaginar não apenas defeitos pontuais, mas também defeitos com um grande número de medições:

• Cordas cósmicas: uma linha reta unidimensional passa por todo o universo observável.
• Paredes de domínios: um plano bidimensional com propriedades irregulares passa por todo o Universo.
• Estruturas espaciais: uma seção do espaço tridimensional "amarrada em um nó".

Portanto, entre os possíveis defeitos, temos um monopolo (0-D), uma corda (1-D), uma parede (2-D) e uma textura (3-D), e todos eles aparecem como resultado do trabalho de diferentes mecanismos, mas pertencentes a um classe: eles aparecem quando a simetria é quebrada.


As diferenças entre o Universo criado no âmbito da cosmologia padrão (esquerda) e o que apareceu com uma rede desenvolvida de defeitos topológicos (direita) levam ao aparecimento de estruturas de larga escala completamente diferentes. Nossas observações marcam com bastante confiança cordas cósmicas e paredes de domínio como os componentes dominantes do universo moderno

A violação da simetria para a física é um assunto sério. Todas as simetrias existentes correspondem a quantidades conservadas; portanto, quando a simetria é violada, a lei de conservação dessa quantidade deixa de funcionar. Monopólos podem ser obtidos quebrando a simetria esférica; cordas - quebra de simetria axial ou cilíndrica; paredes de domínio - quebrando simetria discreta (paridade ou reflexo no espelho). Defeitos de um tipo diferente são mais difíceis de entender, mas geralmente são encontrados ao trabalhar com dimensões adicionais. No entanto, os três primeiros - monopólios, cordas cósmicas e paredes de domínio - são especialmente interessantes para a cosmologia.


A idéia de unificação afirma que todas as três interações do Modelo Padrão, e possivelmente até a gravidade, em altas energias são combinadas em uma única plataforma

Você sabe que, além do modelo padrão, deve haver algo mais, e ele tem muitas extensões, cujas consequências podem ser muito impressionantes. Uma delas é a idéia da Grande Unificação , segundo a qual as interações nucleares eletromagnéticas, fracas e fortes se combinam com alguma energia alta. Isso levaria não apenas à presença de novas partículas e interações, mas também ao aparecimento de monopolos magnéticos no momento de quebrar a simetria, que mantém uma forte interação junto com outras duas. A ausência de monopólos magnéticos no Universo observado é frequentemente apresentada como evidência da inflação cósmica, e o fato de o Universo no final da inflação não esquentar o suficiente para restaurar a simetria da Grande Unificação é citado como evidência adicional.


Se a restauração da simetria da Grande Unificação fosse interrompida, um grande número de monopólos magnéticos apareceria. Mas nosso universo não os fornece para nós; se a inflação cósmica ocorreu após essa quebra de simetria, no Universo observável, não mais que um monopolo magnético pode estar presente.

Cordas cósmicas e paredes de domínio (se existirem) deveriam aparecer durante as transições de fase logo após o final da inflação. Simetrias adicionais podem existir em altos níveis de energia, que são restaurados nos primeiros momentos da vida do Universo, e os defeitos descritos podem aparecer durante sua destruição. Cordas cósmicas e paredes de domínio - redes únicas ou inteiras - deixariam sinais de sua presença em estruturas de larga escala do Universo, texturas seriam visíveis na radiação relíquia e monopólos magnéticos em experimentos diretos para detectá-las. Alguns físicos apontam ironicamente para o único monopolo magnético descoberto em St. Valentine em 1982 como evidência da inflação cósmica: no universo existe apenas um monopólio, e vimos!


Em 1982, um experimento liderado por Blas Cabrera com um fio trançado de oito laços detectou uma mudança no fluxo de oito magnetons: evidência de um monopolo magnético. Infelizmente, ninguém estava no laboratório no momento da descoberta e ninguém conseguiu reproduzir o resultado ou encontrar o segundo monopolo.

E se os monopolos se comportassem como matéria comum, as cordas cósmicas, as paredes dos domínios ou as texturas cosmológicas influenciariam muito ativamente a expansão do Universo. As cordas cósmicas se comportariam como a curvatura do espaço, limitada a 0,4% da densidade total de energia, e as paredes dos domínios criariam um tipo de energia escura que acelera o Universo - mas isso seria uma aceleração muito fraca que não explicaria os processos que estamos vendo. A influência das texturas cosmológicas seria comparável à influência de uma constante cosmológica, mas, para explicar todas as observações disponíveis, seria preciso aceitar que todo o Universo observável está dentro de um único defeito!


Os vários componentes e contribuições para a densidade de energia do universo e o tempo em que eles poderiam prevalecer. Se houvesse cordas cósmicas ou paredes de domínio suficientes, elas dariam uma contribuição significativa para a expansão do universo.

Se houver monopólos, cordas, paredes, texturas, eles deverão ser extremamente pesados. Os monopólos devem ser a mais maciça de todas as partículas abertas - aproximadamente 10 a 14 vezes mais que o quark superior. Cordas, paredes e texturas teriam que desempenhar o papel de embriões de estruturas de grande escala, reunindo matéria no período anterior à formação de outras estruturas e criando traços de presença muito óbvios, dadas as atuais capacidades de telescópios, observações e dados de CMB. As limitações atuais indicam que essas estruturas não existem em grande número e podem existir não mais do que alguns por cento do orçamento total de energia espacial.


Nossa radiação relíquia e o espectro de suas flutuações indicam invariância de escala, enquanto uma rede de cordas cósmicas daria um aumento muito acentuado no lado esquerdo do gráfico

Até o momento, não há evidências de defeitos no universo, excluindo a única observação de um monopolo magnético feito há 35 anos. Embora não possamos refutar a existência deles (só podemos impor restrições a eles), precisamos estar preparados para a possibilidade de que esses efeitos topológicos não os proíbam e que muitas extensões do Modelo Padrão inevitavelmente os implicarão. Em muitos cenários, sua ausência é explicada pelo fato de que algo mais os suprime. A falta de evidência não é prova da ausência, mas até vermos mais alguma coisa que indique a realidade dos defeitos topológicos do universo, teremos que deixar essa idéia no campo das teorias.

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: se o Universo está se expandindo, por que não estamos expandindo ? por que a era do universo não coincide com o raio de sua parte observada .