Paul Sparks
0 
1881
334
A co, jeśli powiem ci, że nasz wszechświat został zalany setkami rodzajów prawie niewidocznych cząstek i że dawno temu cząstki te utworzyły sieć strun rozciągających się na cały wszechświat?
Brzmi zarówno dziwacznie, jak i niesamowicie, ale w rzeczywistości jest to prognoza teorii strun, nasza najlepsza (ale frustrująco niekompletna) próba teorii wszystkiego. Te dziwaczne, aczkolwiek hipotetyczne, małe cząsteczki są znane jako aksjony, a jeśli można je znaleźć, oznaczałoby to, że wszyscy żyjemy w ogromnym „wszechświecie”.
Najlepszą częścią tej teorii jest to, że nie jest to hipoteza fotela jakiegoś fizyka, bez możliwości sprawdzenia. Ta niezrozumiała ogromna sieć strun może zostać wykryta w najbliższej przyszłości za pomocą aktualnie budowanych teleskopów mikrofalowych.
Związane z: Największe nierozwiązane tajemnice fizyki
Gdyby został znaleziony, wszechświat osi dałby nam duży krok naprzód w rozwiązywaniu zagadki… cóż, całej fizyki.
Symfonia smyczków
OK, przejdźmy do rzeczy. Najpierw musimy trochę lepiej poznać axion. Axion, nazwany przez fizyka (a później laureata Nagrody Nobla) Franka Wilczka w 1978 roku, otrzymał swoją nazwę, ponieważ przypuszcza się, że istnieje w wyniku pewnego rodzaju złamania symetrii. Wiem, wiem - więcej żargonu. Czekaj. Fizycy uwielbiają symetrie - kiedy w matematyce pojawiają się pewne wzorce.
Istnieje jeden rodzaj symetrii, zwany symetrią CP, który mówi, że materia i antymateria powinny zachowywać się tak samo, gdy ich współrzędne są odwrócone. Ale ta symetria nie wydaje się naturalnie pasować do teorii silnej siły jądrowej. Jednym z rozwiązań tej zagadki jest wprowadzenie innej symetrii we wszechświecie, która „koryguje” to złe zachowanie. Jednak ta nowa symetria pojawia się tylko przy bardzo wysokich energiach. Przy codziennych niskich energiach ta symetria zanika, a aby to wyjaśnić, wyskakuje nowa cząstka - aksjon.
Teraz musimy przejść do teorii strun, która jest naszą próbą (i była naszą główną próbą od ponad 50 lat) ujednolicenia wszystkich sił natury, zwłaszcza grawitacji, w jednej teoretycznej ramie. Okazało się, że jest to szczególnie drażliwy problem do rozwiązania ze względu na wiele czynników, z których nie najmniejszym jest to, że aby teoria strun zadziałała (innymi słowy, aby matematyka miała nawet nadzieję na rozwiązanie), nasz wszechświat musi mieć więcej niż zwykłe trzy wymiary przestrzeni i jeden czasu; muszą istnieć dodatkowe wymiary przestrzenne.
Oczywiście te wymiary przestrzenne nie są widoczne gołym okiem; w przeciwnym razie zauważylibyśmy tego typu rzeczy. Więc dodatkowe wymiary muszą być malutkie i zwinięte na sobie w tak małych skalach, że unikają normalnych wysiłków, aby je dostrzec.
To, co sprawia, że jest to trudne, polega na tym, że nie jesteśmy do końca pewni, jak te dodatkowe wymiary zwijają się same, a jest około 10 ^ 200 możliwych sposobów na zrobienie tego.
Ale tym, co wydaje się być wspólne dla tych układów wymiarowych, jest istnienie aksionów, które w teorii strun są cząstkami, które owijają się wokół niektórych zwiniętych wymiarów i blokują się.
Co więcej, teoria strun nie przewiduje tylko jednej osi, ale potencjalnie setki różnych rodzajów, przy różnych masach, w tym aksjon, który może pojawić się w teoretycznych przewidywaniach silnej siły jądrowej.
Głupie struny
Mamy więc wiele nowych rodzajów cząstek o różnych masach. Wspaniały! Czy aksjony mogą tworzyć ciemną materię, która wydaje się być odpowiedzialna za nadawanie galaktykom większości ich masy, ale której nie mogą wykryć zwykłe teleskopy? Być może; to otwarte pytanie. Ale aksjony-jako-ciemna-materia muszą stawić czoła trudnym testom obserwacyjnym, więc niektórzy badacze zamiast tego skupiają się na jaśniejszym końcu rodzin aksionów, badając sposoby ich znalezienia.
A kiedy ci badacze zaczną wnikać w przewidywane zachowanie tych aksionów wagi piórkowej we wczesnym wszechświecie, odkrywają coś naprawdę niezwykłego. W najwcześniejszych momentach historii naszego kosmosu wszechświat przechodził przemiany fazowe, zmieniając cały swój charakter z egzotycznych stanów o wysokiej energii na zwykłe stany o niskiej energii..
Podczas jednego z tych przejść fazowych (co miało miejsce, gdy Wszechświat miał mniej niż sekundę), aksjony teorii strun nie pojawiły się jako cząstki. Zamiast tego wyglądały jak pętle i linie - sieć lekkich, prawie niewidocznych strun przecinających kosmos.
Ten hipotetyczny wszechświat, wypełniony różnymi lekkimi strunami aksjonowymi, nie jest przewidywany przez żadną inną teorię fizyki poza teorią strun. Tak więc, jeśli ustalimy, że żyjemy w wszechświecie, byłoby to wielkim dobrodziejstwem dla teorii strun.
Zmiana w świetle
Jak możemy szukać tych strun aksjonów? Modele przewidują, że struny aksionów mają bardzo małą masę, więc światło nie wpadnie na aksjony i nie zginie, albo aksjony prawdopodobnie nie zmieszałyby się z innymi cząstkami. W tej chwili przez Drogę Mleczną mogą unosić się miliony strun aksionów, a my ich nie zobaczymy.
Ale wszechświat jest stary i duży i możemy to wykorzystać na naszą korzyść, zwłaszcza gdy rozpoznamy, że wszechświat jest również podświetlony.
Kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) to najstarsze światło we Wszechświecie, emitowane, gdy było niemowlęciem - miało około 380000 lat. To światło przesiąkało wszechświat przez te wszystkie miliardy lat, filtrując przez kosmos, aż w końcu w coś trafia, na przykład nasze teleskopy mikrofalowe.
Więc kiedy patrzymy na KMPT, widzimy ją przez wszechświat o wartości miliardów lat świetlnych. To tak, jakby patrzeć na poświatę latarki przez szereg pajęczyn: jeśli istnieje sieć strun aksjonów przewleczonych przez kosmos, możemy je potencjalnie zauważyć.
W niedawnym badaniu, opublikowanym w bazie danych arXiv 5 grudnia, trójka badaczy obliczyła wpływ, jaki aksiwers miałby na światło KMPT. Okazało się, że w zależności od tego, jak odrobina światła przechodzi w pobliżu określonej struny aksionu, polaryzacja tego światła może się zmienić. Dzieje się tak, ponieważ światło KMPT (i całe światło) składa się z fal pól elektrycznych i magnetycznych, a polaryzacja światła mówi nam, w jaki sposób zorientowane są pola elektryczne - coś, co zmienia się, gdy światło KMPT napotyka aksjon. Możemy zmierzyć polaryzację światła KMPT przepuszczając sygnał przez specjalistyczne filtry, co pozwala nam wychwycić ten efekt.
Naukowcy odkryli, że całkowity wpływ wszechświata pełnego strun na KMPT spowodował zmianę polaryzacji wynoszącą około 1%, co jest na granicy tego, co możemy dziś wykryć. Ale przyszłe mapowniki CMB, takie jak Cosmic Origins Explorer, satelita Lite (Light) do badań polaryzacji w trybie B i inflacji z kosmicznego wykrywania promieniowania tła (LiteBIRD), oraz Primordial Inflation Explorer (PIXIE), są obecnie projektowane. Te futurystyczne teleskopy byłyby w stanie wyczuć wszechświat. A kiedy ci twórcy map przejdą do trybu online, albo odkryjemy, że żyjemy w wszechświecie osi, albo wykluczymy tę konkretną prognozę teorii strun.
Tak czy inaczej, jest wiele do rozwikłania.
Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy Ohio, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Space Radio, i autor Twoje miejsce we Wszechświecie.
- Od Wielkiego Wybuchu do teraźniejszości: migawki naszego wszechświata w czasie
- 11 największych pytań bez odpowiedzi na temat ciemnej materii
- 5 nieuchwytnych cząstek poza Higgsem
Pierwotnie opublikowano w dniu .
Zobacz wszystkie komentarze (3)