Pelajaran terbesar Einstein dalam relativiti umum adalah bahawa ruang itu sendiri tidak rata, tidak berubah, dan mutlak. Ia ditenun bersama dengan waktu menjadi satu kain: ruang-masa. Tisu ini berterusan, licin dan menjadi bengkok dan cacat di hadapan jirim dan tenaga. Semua yang ada dalam ruang-waktu ini bergerak di sepanjang jalan yang ditentukan oleh kelengkungan ruang-waktu, dan pergerakannya dibatasi oleh kelajuan cahaya. Tetapi bagaimana jika terdapat kecacatan pada kain itu sendiri? Ini bukan fiksyen sains, tetapi idea yang benar-benar ada dalam fizik teori. Terkait dengannya adalah peninggalan bertenaga tinggi seperti dinding domain, tali kosmik dan monopol. Ethan Siegel dari Medium.com cuba menjawab persoalan mengenai asal usul, sifat dan bagaimana mereka akan bergaul dengan alam semesta biasa.
Ternyata mendapatkan Universe yang cacat tidak begitu sukar secara matematik.
Tingkah laku graviti Bumi dalam orbit bukan disebabkan oleh graviti graviti yang tidak dapat dilihat, tetapi lebih baik dijelaskan oleh Bumi yang bebas jatuh melalui ruang melengkung di hadapan Matahari. Walaupun dalam kes ini, kelengkungan ruang akan terlalu kecil dan tidak akan ada kecacatan di dalamnya.
Cuba mewakili ruang dengan sebaik mungkin. Bagaimana rupanya? Adakah ia kosong, licin, dan kebanyakan seragam? Adakah anda juga berpendapat bahawa satu-satunya penyimpangan dari keadaan ini akan dikaitkan dengan kehadiran massa dan kuanta tenaga? Ini adalah pendekatan yang baik yang biasanya diambil oleh ahli fizik. Dalam skala besar, ruang akan menjadi grid tiga dimensi, satu-satunya penyimpangan di mana akan menjadi kawasan kecil kelengkungan spasial dengan skala kecil, mewujudkan daya graviti yang kita ketahui dengan baik. Ruang dalam konfigurasi ini akan berada dalam keadaan paling sedikit tenaga.
Kain riak ruang dan melengkung kerana jisim. Sejauh yang kita ketahui, ruang tidak pernah melipat ke dalam dirinya sendiri dan tidak pernah melipat.
Tetapi bagaimana dengan keadaan teruja? Atau yang lain? Untuk menjadikannya lebih mudah, mari tolak dua dimensi ruang dan simpan satu: garis. Garisan boleh lurus, terbuka dan tidak berkesudahan, atau ditutup, seperti gelung. Dalam kedua-dua kes tersebut, mereka akan menjadi garis dalam keadaan tenaga terendah. Bagaimana keadaan tenaga tinggi? Bayangkan mengambil garis anda dan menggantungnya seperti tali. Sekarang buat simpul pada tali seolah-olah anda mengikat tali. Seutas tali tanpa simpulan akan mewakili ruang satu dimensi dalam keadaan tenaga paling rendah; tali dengan satu simpulan akan mewakili ruang satu dimensi dalam keadaan teruja pertama. Node ini akan menjadi kecacatan topologi 0 dimensi.
Sekarang anda boleh melakukan beberapa perkara menarik dengan garis yang mengandungi simpul. Anda boleh mengikat simpul yang lain dengan cara yang sama dan mendapat dua kecacatan topologi dan bukan satu. Tetapi jika anda mengikat simpul ke arah yang berlawanan (iaitu, buat gelung yang sama, tetapi sebaliknya melintasi hujungnya sebelum melambung dan mengetatkan), simpul ini akan bertentangan secara topologi dengan simpul yang asal. Sekiranya anda menyelaraskan kedua-dua simpul dengan teliti (asli dan berlawanan), ternyata mereka dapat melepaskan satu sama lain dan mengembalikan garis ke keadaan tenaga rendah.
Video promosi:
Dua jenis kesan sifar dimensi ini - simpulan dan anti-simpul - mempunyai analogi fizikal di alam semesta kita: monopol magnet. Node sepadan dengan kutub utara magnet terpencil; anti-nod ke kutub magnet selatan yang terpencil. Sekiranya anda menggabungkannya, mereka memusnahkan, seperti jirim dan antimateri, dan mengembalikan struktur ruang-waktu ke keadaan tenaga rendah. Oleh kerana monopol hanyalah zarah titik, ia akan berkelakuan seperti bahan biasa, tidak jauh berbeza dengan monopol elektrik (cas elektrik positif dan negatif) yang ada di alam semesta kita.
Konsep monopole magnetik memancarkan garis medan magnet dengan cara yang sama seperti cas elektrik terpencil yang memancarkan garis medan elektrik
Oleh itu mari kita kembali ke alam semesta 3D kita. Sekarang anda boleh membayangkan bukan sahaja menunjukkan kecacatan, tetapi juga kecacatan dimensi tinggi:
- Tali kosmik: apabila garis satu dimensi dengan cara tertentu meresap ke seluruh alam semesta yang dapat dilihat
- Dinding domain: apabila satah dua dimensi dengan sifat yang berbeza dari satu sisi ke sisi lain melewati alam semesta
- Tekstur ruang: apabila kawasan ruang tiga dimensi dipusingkan menjadi simpul
Oleh itu, kita mempunyai monopol (0-dimensi), tali (1-dimensi), dinding (2-dimensi) dan tekstur (3-dimensi) - semua jenis kecacatan yang timbul dari mekanisme yang berbeza dari kelas yang sama: apabila simetri rosak.
Perbezaan antara alam semesta, satu yang dibuat mengikut kosmologi standard (kiri) dan satu yang dibuat dengan rangkaian kecacatan topologi (kanan) yang signifikan, menghasilkan pelbagai struktur berskala besar. Pemerhatian kami cukup untuk mengesampingkan rentetan kosmik dan dinding domain sebagai komponen dominan alam semesta moden.
Pemecahan simetri adalah perkara serius dalam fizik. Setiap simetri yang ada sesuai dengan nilai yang tersimpan, jadi jika simetri itu rosak, nilai itu tidak lagi disimpan. Monopole dapat dihasilkan dengan memecahkan simetri sfera; tali boleh dihasilkan dengan memecahkan simetri sudut atau silinder; pelanggaran simetri diskrit dapat membuat dinding domain. Kecacatan lain sedikit lebih sukar dicari, tetapi ia sering berlaku ketika menghadapi senario dengan dimensi tambahan. Tetapi tiga yang pertama - khususnya, monopol, rentetan kosmik, dan dinding domain - menarik minat kosmologi.
Kami tahu bahawa semuanya tidak terhad pada Model Piawai dan terdapat banyak peluasan dan penambahan yang boleh membawa akibat yang menarik. Salah satunya adalah idea Grand Unification, apabila kekuatan nuklear elektromagnetik, lemah dan kuat bergabung pada tenaga tinggi. Idea di sebalik penyatuan adalah bahawa ketiga-tiga kekuatan Model Piawai, dan mungkin juga graviti pada tenaga tinggi, dapat digabungkan menjadi satu struktur. Ini bukan sahaja akan menyebabkan munculnya zarah dan interaksi baru, tetapi juga memungkinkan munculnya monopol magnetik. Kekurangan monopol magnetik di Alam Semesta yang dapat dilihat sering disebut sebagai bukti inflasi kosmik dan bahawa Alam Semesta tidak akan pernah cukup panas setelah berakhirnya inflasi untuk mengembalikan simetri Teori Penyatuan Besar.
Sekiranya simetri yang memastikan Grand Unification dipecahkan, jumlah monopol magnetik besar akan muncul. Tetapi mereka tidak ada di Alam Semesta kita; sekiranya inflasi kosmik berlaku setelah simetri ini dipecahkan, sekurang-kurangnya satu monopol harus berada dalam alam semesta yang dapat dilihat
Rentetan kosmik dan dinding domain dapat muncul semasa peralihan fasa, jika benar-benar ada, segera setelah akhir inflasi. Mungkin terdapat beberapa simetri bertenaga tinggi yang terbentuk pada masa awal, apabila pecah, kecacatan serupa muncul. String kosmik dan dinding domain - satu atau keseluruhan rangkaian - harus meninggalkan tanda pada struktur skala besar Alam Semesta, tekstur akan muncul di CMB, dan monopol harus dibuat melalui eksperimen langsung. Beberapa ahli fizik menunjukkan monopole magnetik yang ditemui pada 14 Februari 1982 sebagai bukti inflasi kosmik: ada satu monopol di alam semesta yang dapat dilihat, dan kita melihatnya!
Pada tahun 1982, eksperimen yang diketuai oleh Blas Cabrera, bersenjatakan lapan putaran wayar, mencatatkan perubahan dalam fluks lapan magneton: bacaan yang menunjukkan monopol magnet. Malangnya, pada masa penemuan, tidak ada yang berada di dekatnya dan tidak ada yang dapat menghasilkan semula hasilnya, dan juga menemukan monopole lain
Dan jika monopol berperilaku seperti jirim, tali kosmik, dinding domain atau tekstur kosmologi akan mempengaruhi pengembangan Alam Semesta secara serius. Tali kosmik akan berkelakuan seperti kelengkungan spatial, terhad kepada kira-kira 0.4% dari jumlah ketumpatan tenaga, dan dinding domain akan mewujudkan satu bentuk tenaga gelap yang mempercepat pengembangan alam semesta dengan perlahan sehingga tidak akan dapat dilihat. Tekstur kosmologi akan mempunyai kesan yang sama dengan pemalar kosmologi, tetapi alam semesta kita yang dapat dilihat harus dibatasi pada satu kekurangan untuk menjelaskan pemerhatian kita.
Pelbagai komponen ketumpatan tenaga Alam Semesta dan ketika mereka dapat nyata dengan kekuatan penuh. Sekiranya rentetan kosmik atau dinding domain ada dalam kuantiti apa pun, ia akan menjejaskan pengembangan alam semesta kita secara serius.
Monopole, tali, dinding, tekstur dan kecacatan lain semestinya sangat berat jika ada. Monopole adalah zarah paling besar yang pernah ditemui (100 trilion kali lebih besar daripada quark atas). String, dinding, dan tekstur akan menjadi benih untuk struktur berskala besar, menyatukan bahan dan membentuk struktur lain yang dapat kita lihat dengan teleskop moden, tinjauan, dan data CMB. Kekangan moden memberitahu kita bahawa struktur seperti itu tidak ada dengan banyak, dan mereka hampir tidak akan menyumbang lebih daripada beberapa peratus daripada jumlah anggaran tenaga ruang.
Sehingga kini, tidak ada bukti bahawa alam semesta kita cacat, selain daripada pemerhatian tunggal monopol magnet 35 tahun yang lalu. Walaupun kita tidak dapat menafikan keberadaannya (hanya had), kita harus terus mendengarkan dan bersiap-siap bukan hanya untuk kemungkinan pengesanan mereka, tetapi juga untuk penambahan lain pada Model Piawai yang tidak dilarang oleh fizik. Dalam kebanyakan kes, jika mereka tidak wujud, pasti ada sesuatu yang menekan keberadaan mereka. Kekurangan bukti tidak menunjukkan ketiadaan fenomena tersebut. Namun, dan mengenai ketersediaan juga.
Ilya Khel
