Τι θα λέγατε αν σας είπα ότι το σύμπαν μας πλημμυρίστηκε με εκατοντάδες είδη σχεδόν αόρατων σωματιδίων και ότι εδώ και πολύ καιρό τα σωματίδια αυτά σχημάτιζαν ένα δίκτυο συστοιχιών που κάλυπτε το σύμπαν;
Ακούγεται τόσο trippy όσο και φοβερό, αλλά είναι στην πραγματικότητα μια πρόβλεψη της θεωρίας χορδών, η καλύτερη μας (αλλά απογοητευτικά ατελής) προσπάθεια για μια θεωρία για τα πάντα. Αυτά τα περίεργα, αν και υποθετικά, μικρά σωματίδια είναι γνωστά ως axions, και αν μπορούν να βρεθούν, αυτό θα σήμαινε ότι όλοι ζούμε σε ένα τεράστιο "αξονικό".
Το καλύτερο μέρος αυτής της θεωρίας είναι ότι δεν είναι απλώς μια υπόθεση πολυθρόνας κάποιου φυσικού, χωρίς δυνατότητα δοκιμής. Αυτό το ακατανόητα τεράστιο δίκτυο χορδών μπορεί να ανιχνεύεται στο εγγύς μέλλον με τηλεσκόπια μικροκυμάτων που κατασκευάζονται πραγματικά.
Αν βρεθεί, η αδελφοειδής θα μας έδινε ένα σημαντικό βήμα για να βγάλουμε το παζλ ... καλά, όλη τη φυσική.
Μια συμφωνία των συμβολοσειρών
Εντάξει, ας πάμε για δουλειά. Πρώτον, πρέπει να γνωρίσουμε το axion λίγο καλύτερα. Το άξονά του, το οποίο ονομάστηκε από τον φυσικό (και αργότερα από το βραβείο Νόμπελ) Frank Wilczek το 1978, παίρνει το όνομά του επειδή υποτίθεται ότι υπάρχει από ένα συγκεκριμένο είδος θραύσης της συμμετρίας. Ξέρω, ξέρω - περισσότερη φρασεολογία. Περίμενε. Οι φυσικοί αγαπούν τις συμμετρίες - όταν εμφανίζονται ορισμένα μοτίβα στα μαθηματικά.
Υπάρχει ένα είδος συμμετρίας, που ονομάζεται συμμετρία CP, που λέει ότι η ύλη και η αντιύλη θα πρέπει να συμπεριφέρονται το ίδιο όταν οι συντεταγμένες τους αντιστρέφονται. Αλλά αυτή η συμμετρία δεν φαίνεται να ταιριάζει φυσικά στη θεωρία της ισχυρής πυρηνικής δύναμης. Μια λύση σε αυτό το παζλ είναι να εισαγάγει μια άλλη συμμετρία στο σύμπαν που "διορθώνει" για αυτήν την κακή συμπεριφορά. Ωστόσο, αυτή η νέα συμμετρία εμφανίζεται μόνο σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες. Στις καθημερινές χαμηλές ενέργειες, αυτή η συμμετρία εξαφανίζεται και για να λογαριάσει γι 'αυτό, και έξω βγάζει ένα νέο σωματίδιο - το αξόνιο.
Τώρα πρέπει να στραφούμε στη θεωρία χορδών, η οποία είναι η προσπάθειά μας (και ήταν η κύρια προσπάθεια μας εδώ και 50 χρόνια τώρα) να ενοποιήσουμε όλες τις δυνάμεις της φύσης, ειδικά τη βαρύτητα, σε ένα ενιαίο θεωρητικό πλαίσιο. Είναι αποδεδειγμένο ότι είναι ένα ιδιαίτερα ακανθώδες πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί, εξαιτίας πολλών παραγόντων, το λιγότερο από το οποίο είναι ότι για να λειτουργήσει η θεωρία των χορδών (με άλλα λόγια, για τα μαθηματικά να έχουν ακόμη την ελπίδα να δουλέψουν), η δική μας το σύμπαν πρέπει να έχει περισσότερες από τις συνηθισμένες τρεις διαστάσεις του χώρου και μία του χρόνου. πρέπει να υπάρχουν επιπλέον χωρικές διαστάσεις.
Αυτές οι χωρικές διαστάσεις δεν είναι ορατές με γυμνό μάτι, φυσικά. διαφορετικά, θα παρατηρούσαμε κάτι τέτοιο. Έτσι οι πρόσθετες διαστάσεις πρέπει να είναι έφηβες-μικροσκοπικές και καμπυλωμένες πάνω τους σε κλίμακες τόσο μικρές ώστε να αποφεύγουν τις κανονικές προσπάθειες για να τους εντοπίσουν.
Αυτό που κάνει αυτό το δύσκολο είναι ότι δεν είμαστε ακριβώς σίγουροι πως αυτές οι επιπλέον διαστάσεις στροβιλίζονται πάνω τους, και υπάρχουν κάπου περίπου 10 200 δυνατοί τρόποι να το κάνουμε.
Αλλά αυτά που φαίνονται να έχουν οι κοινές αυτές διαστάσεις είναι η ύπαρξη αξόνων, τα οποία, στη θεωρία των χορδών, είναι σωματίδια που στρέφονται γύρω από κάποιες από τις κυρτωμένες διαστάσεις και κολλάνε.
Επιπλέον, η θεωρία χορδών δεν προβλέπει μόνο ένα αξόνιο, αλλά δυνητικά εκατοντάδες διαφορετικά είδη, σε μια ποικιλία μαζών, συμπεριλαμβανομένου του αξόνου που μπορεί να εμφανίζεται στις θεωρητικές προβλέψεις της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.
Παλαιές χορδές
Έτσι, έχουμε πολλά νέα είδη σωματιδίων με κάθε είδους μάζες. Μεγάλος! Θα μπορούσαν τα αξόνια να συνθέτουν σκοτεινή ύλη, η οποία φαίνεται να είναι υπεύθυνη για την παροχή της μεγαλύτερης μάζας στους γαλαξίες, αλλά δεν μπορεί να ανιχνευθεί από τα συνηθισμένα τηλεσκόπια; Ισως; είναι μια ανοιχτή ερώτηση. Όμως οι axions-as-dark-matter πρέπει να αντιμετωπίσουν μερικές προκλητικές δοκιμές παρατήρησης, έτσι μερικοί ερευνητές επικεντρώνονται στο ελαφρύτερο τέλος των axion οικογενειών, εξερευνώντας τρόπους να τους βρουν.
Και όταν αυτοί οι ερευνητές ξεκινήσουν να σκάβουν στην προβλεπόμενη συμπεριφορά αυτών των featherweight axions στο πρώιμο σύμπαν, βρίσκουν κάτι πραγματικά αξιοσημείωτο. Στις πρώτες στιγμές της ιστορίας του σύμπαντος μας, το σύμπαν πέρασε τις μεταβάσεις φάσης, αλλάζοντας ολόκληρο τον χαρακτήρα του από εξωτικές, υψηλής ενέργειας καταστάσεις σε κανονικές καταστάσεις χαμηλής ενέργειας.
Κατά τη διάρκεια μιας από αυτές τις μεταβάσεις φάσης (που συνέβη όταν το σύμπαν ήταν λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο παλιό), τα αξόνια της θεωρίας των χορδών δεν εμφανίζονταν ως σωματίδια. Αντίθετα, έμοιαζαν με βρόχους και γραμμές - ένα δίκτυο ελαφρών, σχεδόν αόρατων χορδών που διασχίζουν τον Κόσμο.
Αυτή η υποθετική αξονική, γεμάτη με μια ποικιλία από ελαφριές χορδές αξόνων, δεν προβλέπεται από άλλη θεωρία της φυσικής αλλά από τη θεωρία χορδών. Επομένως, αν διαπιστώσουμε ότι ζούμε σε μια αξονική τομή, θα ήταν ένα μεγάλο όφελος για τη θεωρία των χορδών.
Μια αλλαγή στο φως
Πώς μπορούμε να ψάξουμε για αυτές τις χορδές axion; Τα μοντέλα προβλέπουν ότι οι χορδές axion έχουν πολύ χαμηλή μάζα, έτσι το φως δεν θα χτυπήσει σε αξόνιο και δεν θα λυγίσει, ούτε οι αξόνες πιθανόν να μην ανακατεύονται με άλλα σωματίδια. Θα μπορούσαν να υπάρχουν εκατομμύρια άξονες που να επιπλέουν μέσω του Γαλαξία τώρα και δεν θα τους δούμε.
Αλλά το σύμπαν είναι παλιό και μεγάλο και μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε προς όφελός μας, ειδικά όταν αναγνωρίσουμε ότι το σύμπαν είναι επίσης οπίσθιο.
Το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB) είναι το παλαιότερο φως στο σύμπαν, που εκπέμπεται όταν ήταν μόνο ένα μωρό - περίπου 380.000 ετών. Αυτό το φως έχει βυθίσει το σύμπαν για όλα αυτά τα δισεκατομμύρια χρόνια, φιλτράροντας τον κόσμο μέχρι να χτυπήσει τελικά κάτι, όπως τα τηλεσκόπια μικροκυμάτων.
Έτσι, όταν κοιτάζουμε το CMB, το βλέπουμε μέσα σε δισεκατομμύρια έτη φωτός του κόσμου. Είναι σαν να κοιτάζουμε μια λάμψη ενός φακού μέσα από μια σειρά από αράχνες αράχνης: Αν υπάρχει ένα δίκτυο αξόνων που σπείρει το σύμπαν, θα μπορούσαμε ενδεχομένως να τους εντοπίσουμε.
Σε μια πρόσφατη μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στη βάση δεδομένων arXiv στις 5 Δεκεμβρίου, ένα τρίο ερευνητών υπολόγισε την επίδραση που θα είχε ένα άξονες στο φως CMB. Διαπίστωσαν ότι, ανάλογα με το πώς ένα κομμάτι φωτός περνάει κοντά σε μια συγκεκριμένη αλυσίδα αξόνων, η πόλωση αυτού του φωτός μπορεί να αλλάξει. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το φως CMB (και όλο το φως) αποτελείται από κύματα ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων και η πόλωση του φωτός μας δείχνει πώς προσανατολίζονται τα ηλεκτρικά πεδία - κάτι που αλλάζει όταν το φως CMB συναντά ένα αξόνιο. Μπορούμε να μετρήσουμε την πόλωση του φωτός CMB περνώντας το σήμα μέσω εξειδικευμένων φίλτρων, επιτρέποντάς μας να επιλέξουμε αυτό το αποτέλεσμα.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η συνολική επίδραση στο CMB από ένα σύμπαν γεμάτο χορδές εισήγαγε μια μετατόπιση της πόλωσης που ανέρχεται σε περίπου 1%, η οποία βρίσκεται ακριβώς στα όρια του τι μπορούμε να εντοπίσουμε σήμερα. Ωστόσο, επί του παρόντος σχεδιάζονται μελλοντικοί χάρτες CMB, όπως ο δορυφόρος Cosmic Origins Explorer, ο Lite (Light) δορυφόρος για τις μελέτες της πόλωσης B-mode και του Inflation από την κοσμική ακτινοβολία ανίχνευσης ακτινοβολίας (LiteBIRD) και τον αρχέγονο εξερευνητή πληθωρισμού (PIXIE). Αυτά τα φουτουριστικά τηλεσκόπια θα είναι ικανά να ξεμπερδεύουν μια αξονική τομή. Και όταν αυτοί οι χαρτογράφοι έρθουν στο διαδίκτυο, είτε θα διαπιστώσουμε ότι ζούμε σε μια αξονική τομή είτε αποκλείουμε αυτή τη συγκεκριμένη πρόβλεψη της θεωρίας χορδών.
Είτε έτσι είτε αλλιώς, υπάρχουν πολλά να ξεμπερδέψουν.
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στοΤο κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής τουΡωτήστε έναν διαστημόπλοιο καιΔιαστημικό ραδιόφωνο, και συγγραφέας τουΗ Θέση σας στο Σύμπαν.
