时空结构是一个相当复杂的概念。 借助爱因斯坦的广义相对论，我们可以解决它。爱因斯坦广义相对论的最重要教训是，空间不是一个平坦，不变的，绝对的本质。 它与时间一起编织成单一的面料：时空。 这种织物是连续的，光滑的，在存在物质和能量的情况下会弯曲和变形。 时空中存在的所有事物都沿着由其曲率确定的路径移动，并且这种移动受到光速的限制。 但是，如果这种织物出现缺陷怎么办？ 这不是科幻小说，而是理论物理学中的真实想法，这周我们的读者问了一个问题：
我想提出这样一个话题作为高能量的遗迹进行讨论-畴壁， 宇宙弦 ， 单极子等。 了解这些缺陷是什么，它们来自何处，它们可能具有的特性以及对我而言最有趣的是它们如何看待并与“普通”宇宙交互作用，这将是很有趣的。
事实证明，从数学上讲，获得有缺陷的宇宙非常容易。
由于看不见的引力引力，不会发生地球围绕太阳的引力行为-最好将其描述为好像地球自由落在太阳起主要作用的弯曲空间中。 但是在这种情况下，空间的曲率会很小，并且不会有任何缺陷。想象一下空间。 看起来像什么？ 您能想象一个空旷，光滑，均质的空间吗？ 您是否认为与这张图片的唯一偏差是由于质量和能量的量子化？ 这是物理学家常用的好方法。 在最大尺度上，它应该是三维栅格，以具有较小空间曲率的截面形式出现小的偏差，从而产生众所周知的重力。 以这种形式，空间将处于能量最少的状态。
时空的织物，具有由质量引起的波纹和变形。 但是据我们所知，空间永远不会折叠或折叠那激发态呢？ 那其他条件呢？ 为简单起见，我们消除了两个空间维度，只保留了一个：直线。 直线可以是直线，开放和无限，也可以像环形一样闭合。 这两种选择都是在能量最小的状态下直接进行的。 高能态会是什么样？ 沿着我们的直线，使其像一条线一样灵活。 现在，假设我们在上面打了个结-循环制作，将其横向放置并拉出。 无结线表示能量最小的状态下的一维空间。 具有一个结的线表示在第一激发状态下的一维空间。 该节点是零维拓扑缺陷。
绑在螺纹上的打结是一维直线的零维缺陷的类似物。 在碰撞中反映出这一结的结会导致它们的消失以及以最小的能量恢复水平现在，通过包含节点的行，您可以做一些有趣的事情。 您可以打成完全相同的结，并且将有两个拓扑缺陷来总结您的影响。 但是，如果您在相反的方向上打结-镜像，则您得到的结在拓扑上与原始方向相反。 如果将这两个节点放在一起，您会发现它们可以相互解开，这将使您回到能量最小的状态。
这两种零维缺陷（一个节点和一个反节点）在我们的宇宙中具有物理类似物：磁单极子。 该节点对应于一个隔离的北极。 波腹对应于一个隔离的南磁极。 如果将它们放在一起，它们会像物质和反物质一样消灭，并使时空结构恢复到能量最小的状态。 由于单极是点粒子，它们的行为就像普通物质一样，与我们宇宙中存在的单极电（正负电荷）没有太大区别。
磁单极子以类似于隔离电荷发射电场线的方式发射磁场线的概念现在回到我们的三维宇宙。 您不仅可以想象点缺陷，还可以想象大量测量的缺陷：
- 宇宙弦：一维直线穿过整个可观察的宇宙。
- 畴墙：具有不规则特性的二维平面穿过整个宇宙。
- 空间结构：“绑成一个结”的三维空间的一部分。
因此，在可能的缺陷中，我们有一个单极子（0-D），一根绳子（1-D），一个壁（2-D）和一个纹理（3-D），它们都是由于不同机制的作用而出现的，但属于一种class：对称性破坏时出现。
在标准宇宙学框架中创建的宇宙（左）与出现了发达的拓扑缺陷网络的宇宙之间的差异（右）导致出现了完全不同的大型结构。 我们的观察非常有把握地将宇宙弦和畴壁标记为现代宇宙的主要组成部分违反对称性对物理学是一个严重的问题。 所有现有的对称性都对应于守恒量；因此，当违反对称性时，该量的守恒定律就不再起作用。 通过破坏球形对称性可以得到单极子； 弦-破坏轴向或圆柱对称性； 畴壁-破坏离散的对称性（奇偶或镜面反射）。 另一类缺陷更难以理解，但是在处理其他尺寸时经常会遇到。 但是，其中的前三个-垄断，宇宙线和领域墙-对于宇宙学来说特别有趣。
统一的思想指出，标准模型的所有三个相互作用，甚至可能是重力，都在一个平台上结合在一起您知道，除了标准模型之外，还必须有其他东西，并且它具有许多扩展，其后果可能会非常令人印象深刻。 其中之一就是
大统一的思想，根据该思想，电磁，弱和强核相互作用在某种高能量下结合在一起。 这不仅会导致出现新的粒子和相互作用，而且还会导致在打破对称性时出现磁性单极子，从而使对称性与其他两个分子保持强相互作用。 通常将观察到的宇宙中没有磁单极子表示为宇宙膨胀的证据，而膨胀结束时的宇宙加热不足以恢复大统一的对称性这一事实也被作为补充证据。
如果大统一的对称性恢复被破坏，将会出现大量的磁单极子。 但是我们的宇宙没有将它们提供给我们。 如果在这种对称性破坏之后发生了宇宙膨胀，那么在可观察到的宇宙中最多只能存在一个磁单极子。宇宙弦和畴壁（如果存在的话）应该在充气结束后不久的相变过程中出现。 在高能级上可能会存在其他对称性，这些对称性会在宇宙生命的早期恢复，并且所描述的缺陷可能会在其破坏期间出现。 宇宙弦和畴壁-单个或整个网络-会在宇宙的大规模结构中留下它们的存在迹象，纹理在遗留辐射中可见，而磁单极子在直接实验中可以检测到它们。 一些物理学家具有讽刺意味的是，他指出了
在圣路易斯上发现的唯一磁性单极子
。 1982年的情人情人节是宇宙膨胀的证据：在宇宙中只有一个垄断，而我们看到了！
1982年，由布拉斯·卡布雷拉（Blas Cabrera）领导的一项实验，使用八环双绞线检测了八个磁子的通量变化：这是一个磁单极子的证据。 不幸的是，在发现时还没有人在实验室里，也没有人能够重现结果或找到第二个单极子。如果单极子的行为像普通物质一样，那么宇宙弦，畴壁或宇宙纹理将非常积极地影响宇宙的膨胀。 宇宙弦的行为就像空间的曲率一样，被限制为总能量密度的0.4％，并且畴壁会产生一种暗能量来加速宇宙-但是这太弱了，无法解释我们所看到的过程。 宇宙结构的影响可以与宇宙常数的影响相提并论，但是为了解释所有可用的观察结果，必须接受整个可观察的宇宙都在一个缺陷内！
各种成分和对宇宙能量密度的贡献，以及它们可能占优势的时间。 如果有足够的宇宙弦或畴壁，它们将对宇宙的扩展做出重大贡献。如果有单极子，弦，墙，纹理，则它们必须非常重。 单极子应该是所有开放粒子中质量最大的-大约是上夸克质量的10-14倍。 鉴于望远镜，观测和CMB数据的当前功能，弦，墙壁和纹理将必须扮演大型结构的胚胎的角色，在形成任何其他结构之前将物质聚集在一起，并产生非常明显的存在痕迹。 当前的局限性表明，这种结构并不大量存在，并且它们的存在量最多只能占总空间能量预算的百分之几。
我们的遗留辐射及其波动频谱表明尺度不变，而宇宙弦网络将在图的左侧非常陡峭地上升迄今为止，除35年前对磁单极子的唯一观测结果外，尚无宇宙缺陷的证据。 尽管我们不能反驳它们的存在（我们只能对其施加限制），但我们需要为这些拓扑效应不会被禁止以及标准模型的许多扩展不可避免地带来它们的可能性做好准备。 在许多情况下，它们的缺失是由于其他因素抑制了它们的事实。 缺乏证据并不能证明缺乏证据，但是直到我们看到表明宇宙拓扑缺陷的现实的其他事物时，我们才必须将这一思想留在理论领域。
伊桑·西格尔 （ Ethan Siegel） -天体物理学家，科学普及者，《爆炸的开始》的作者！ 他写了《超越银河》（ Beyond the Galaxy ）和《追踪学：星际迷航的科学》（ Treknology ）一书。常见问题： 如果宇宙在扩展，为什么我们不扩展 ； 为什么宇宙的年龄与所观测的半径不一致 。