Einsteins größte Lehre in der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass der Raum selbst nicht flach, unveränderlich und absolut ist. Es ist mit der Zeit zu einem Stoff verwoben: Raum-Zeit. Dieses Gewebe ist kontinuierlich, glatt und wird in Gegenwart von Materie und Energie gebogen und deformiert. Alles, was in dieser Raumzeit existiert, bewegt sich auf einem Weg, der durch die Krümmung der Raumzeit bestimmt wird, und seine Bewegung ist durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Was aber, wenn der Stoff selbst fehlerhaft ist? Dies ist keine Science-Fiction, sondern eine wirklich existierende Idee in der theoretischen Physik. Damit verbunden sind energiereiche Relikte wie Domänenwände, kosmische Strings und Monopole. Ethan Siegel von Medium.com versuchte die Frage zu beantworten, woher sie stammen, welche Eigenschaften sie haben und wie sie mit dem gewöhnlichen Universum auskommen.
Es stellte sich heraus, dass es mathematisch nicht so schwierig ist, ein defektes Universum zu bekommen.
Das Gravitationsverhalten der Erde im Orbit beruht nicht auf der unsichtbaren Gravitationsgravitation, sondern wird besser von der Erde beschrieben, die in Gegenwart der Sonne frei durch den gekrümmten Raum fällt. Selbst in diesem Fall ist die Krümmung des Raums zu klein und es treten keine Mängel auf.
Versuchen Sie, den Raum so gut wie möglich darzustellen. Wie sieht es aus? Wird es leer, glatt und größtenteils einheitlich sein? Denken Sie auch, dass die einzigen Abweichungen von diesem Zustand mit dem Vorhandensein von Massen und Energiequanten verbunden sind? Dies ist ein guter Ansatz, den Physiker normalerweise verfolgen. Im großen Maßstab wird der Raum ein dreidimensionales Gitter sein, dessen einzige Abweichungen kleine Bereiche räumlicher Krümmung von geringer Größe sind, wodurch die Gravitationskraft entsteht, die wir gut kennen. Der Raum in dieser Konfiguration befindet sich im Zustand der geringsten Energie.
Der Stoff der Raumzeit kräuselt und verzieht sich aufgrund der Masse. Soweit wir wissen, faltet sich der Raum niemals in sich zusammen oder biegt sich.
Aber was ist mit aufgeregten Zuständen? Oder andere? Um es einfacher zu machen, subtrahieren wir zwei räumliche Dimensionen und behalten eine bei: die Linie. Die Linie kann gerade, offen und endlos oder geschlossen wie eine Schleife sein. In beiden Fällen sind dies die Leitungen im niedrigsten Energiezustand. Wie wäre ein Hochenergiezustand? Stellen Sie sich vor, Sie nehmen Ihre Leine und hängen sie wie eine Schnur auf. Machen Sie jetzt einen Knoten an der Schnur, als würden Sie Schnürsenkel binden. Eine Zeichenfolge ohne Knoten repräsentiert einen eindimensionalen Raum im Zustand mit der niedrigsten Energie. Eine Schnur mit einem Knoten repräsentiert einen eindimensionalen Raum im ersten angeregten Zustand. Dieser Knoten ist ein 0-dimensionaler topologischer Defekt.
Jetzt können Sie einige interessante Dinge mit der Zeile tun, die den Knoten enthält. Sie können auf die gleiche Weise einen weiteren Knoten knüpfen und statt eines zwei topologische Defekte erhalten. Wenn Sie den Knoten jedoch in die entgegengesetzte Richtung binden (dh dieselbe Schlaufe machen, aber ansonsten die Enden kreuzen, bevor Sie ihn werfen und festziehen), ist dieser Knoten topologisch dem ursprünglichen Knoten entgegengesetzt. Wenn Sie beide Knoten (original und entgegengesetzt) sehr sorgfältig ausrichten, stellt sich heraus, dass sie sich lösen und die Linie in einen Zustand niedriger Energie zurückversetzen können.
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Zwei Arten dieser nulldimensionalen Effekte - Knoten und Anti-Knoten - haben physikalische Analogien in unserem Universum: magnetische Monopole. Der Knoten entspricht einem isolierten magnetischen Nordpol; Anti-Knoten zum isolierten Südmagnetpol. Wenn Sie sie kombinieren, vernichten sie sich wie Materie und Antimaterie und bringen das Gefüge der Raumzeit in einen Zustand niedriger Energie zurück. Da Monopole nur Punktteilchen sind, verhalten sie sich wie gewöhnliche Materie und unterscheiden sich nicht wesentlich von den elektrischen Monopolen (positive und negative elektrische Ladungen), die in unserem Universum existieren.
Das Konzept eines magnetischen Monopols, der Magnetfeldlinien auf dieselbe Weise emittiert, wie eine isolierte elektrische Ladung elektrische Feldlinien emittieren würde
Kehren wir also zu unserem 3D-Universum zurück. Jetzt können Sie sich nicht nur Punktfehler vorstellen, sondern auch hochdimensionale Fehler:
- Kosmische Strings: Wenn eine eindimensionale Linie auf irgendeine Weise das gesamte beobachtbare Universum durchdringt
- Domänenwände: Wenn eine zweidimensionale Ebene mit unterschiedlichen Eigenschaften von einer Seite zur anderen durch das Universum verläuft
- Raumtexturen: Wenn ein Bereich des dreidimensionalen Raums zu Knoten verdreht wird
Wir haben also Monopole (0-dimensional), Strings (1-dimensional), Wände (2-dimensional) und Texturen (3-dimensional) - alle Arten von Defekten, die sich aus verschiedenen Mechanismen derselben Klasse ergeben: wenn die Symmetrie gebrochen ist.
Unterschiede zwischen Universen, von denen eines gemäß der Standardkosmologie (links) und eines mit einem signifikanten Netzwerk topologischer Defekte (rechts) erstellt wurde, führen zu einer Vielzahl großräumiger Strukturen. Unsere Beobachtungen reichen aus, um kosmische Strings und Domänenwände als dominante Komponente des modernen Universums auszuschließen.
Symmetriebrechung ist eine ernste Angelegenheit in der Physik. Jede vorhandene Symmetrie entspricht einem gespeicherten Wert. Wenn die Symmetrie unterbrochen wird, wird dieser Wert nicht mehr gespeichert. Monopole können durch Aufbrechen der Kugelsymmetrie erzeugt werden; Saiten können durch Aufbrechen der Winkelsymmetrie oder der Zylindersymmetrie erzeugt werden. Eine Verletzung der diskreten Symmetrie kann zu Domänenwänden führen. Andere Fehler sind etwas schwieriger zu finden, kommen jedoch häufig ins Spiel, wenn es um Szenarien mit zusätzlichen Dimensionen geht. Die ersten drei - insbesondere Monopole, kosmische Strings und Domänenwände - sind jedoch für die Kosmologie von besonderem Interesse.
Wir wissen, dass nicht alles durch das Standardmodell beschränkt ist, und es gibt viele Erweiterungen und Ergänzungen, die interessante beobachtbare Konsequenzen haben können. Eine davon ist die Idee der Großen Vereinigung, bei der sich elektromagnetische, schwache und starke Kernkräfte bei hohen Energien verbinden. Die Idee hinter der Vereinigung ist, dass alle drei Kräfte des Standardmodells und möglicherweise sogar die hochenergetische Schwerkraft zu einer einzigen Struktur kombiniert werden können. Dies würde nicht nur zur Entstehung neuer Partikel und Wechselwirkungen führen, sondern auch die Entstehung magnetischer Monopole ermöglichen. Das Fehlen magnetischer Monopole im beobachtbaren Universum wird oft als Beweis für die kosmische Inflation angeführt und dafür, dass das Universum nach dem Ende der Inflation nie heiß genug wird, um die Symmetrie der Grand Unification Theories wiederherzustellen.
Wenn die Symmetrie, die die Große Vereinigung sicherstellt, gebrochen würde, würde eine kolossale Anzahl magnetischer Monopole auftreten. Aber sie sind nicht in unserem Universum; Wenn eine kosmische Inflation stattfinden würde, nachdem diese Symmetrie gebrochen wurde, müsste mindestens ein Monopol im beobachtbaren Universum bleiben
Kosmische Strings und Domänenwände könnten während Phasenübergängen auftreten, wenn sie tatsächlich existieren, kurz nach dem Ende der Inflation. Es kann einige extrem energiereiche Symmetrien geben, die in frühen Zeiten gebildet werden, wenn gebrochen, ähnliche Defekte auftreten. Kosmische Strings und Domänenwände - ein oder ein ganzes Netzwerk - müssten eine Signatur in der großräumigen Struktur des Universums hinterlassen, Texturen würden im CMB erscheinen und Monopole müssten durch direktes Experimentieren erzeugt werden. Einige Physiker verweisen auf den am 14. Februar 1982 entdeckten magnetischen Monopol als Beweis für die kosmische Inflation: Es gab einen Monopol im beobachtbaren Universum, und wir haben ihn gesehen!
In einem von Blas Cabrera mit acht Drahtwindungen bewaffneten Experiment wurde 1982 eine Änderung des Flusses von acht Magnetonen aufgezeichnet: Messwerte, die auf einen magnetischen Monopol hinweisen. Leider war zum Zeitpunkt der Entdeckung niemand in der Nähe und niemand konnte das Ergebnis reproduzieren und einen anderen Monopol finden
Und wenn sich Monopole wie Materie verhalten, werden kosmische Strings, Domänenwände oder kosmologische Texturen die Expansion des Universums ernsthaft beeinflussen. Kosmische Strings verhalten sich wie eine räumliche Krümmung, die auf etwa 0,4% der Gesamtenergiedichte begrenzt ist, und Domänenwände erzeugen eine Form dunkler Energie, die die Expansion des Universums so langsam beschleunigt, dass sie nicht einmal bemerkt wird. Kosmologische Texturen haben den gleichen Effekt wie die kosmologische Konstante, aber unser beobachtbares Universum muss auf einen einzigen Defekt beschränkt sein, um unsere Beobachtungen zu erklären.
Verschiedene Komponenten der Energiedichte des Universums und wann sie sich in voller Kraft manifestieren könnten. Wenn kosmische Strings oder Domänenwände in irgendeiner Menge existieren würden, würden sie die Expansion unseres Universums ernsthaft beeinflussen.
Monopole, Schnüre, Wände, Texturen und andere Defekte sollten sehr schwer sein, wenn sie vorhanden sind. Monopole wären die massereichsten Partikel, die jemals entdeckt wurden (100 Billionen Mal so massereich wie ein Top-Quark). Strings, Wände und Texturen würden zu Keimen für großflächige Strukturen, die Material zusammenziehen und andere Strukturen bilden, die wir mit modernen Teleskopen, Vermessungen und CMB-Daten leicht erkennen können. Moderne Zwänge sagen uns, dass solche Strukturen nicht im Überfluss vorhanden sind und kaum mehr als ein paar Prozent des gesamten Energiebudgets des Weltraums ausmachen würden.
Bis heute gibt es keine Beweise dafür, dass unser Universum defekt ist, außer der einzigen Beobachtung eines magnetischen Monopols vor 35 Jahren. Obwohl wir ihre Existenz nicht leugnen können (nur Grenze), müssen wir unsere Ohren im Auge behalten und nicht nur auf ihre mögliche Erkennung vorbereitet sein, sondern auch auf andere Ergänzungen des Standardmodells, die von der Physik nicht verboten sind. In den meisten Fällen, wenn sie nicht existieren, muss es etwas geben, das ihre Existenz unterdrückt. Das Fehlen von Beweisen weist nicht auf das Fehlen des Phänomens hin. Allerdings auch die Verfügbarkeit.
Ilya Khel
