Co jeśli powiem ci, że nasz wszechświat został zalany setkami rodzajów prawie niewidzialnych cząstek i że dawno temu cząstki te tworzyły sieć ciągów obejmujących wszechświat?
Brzmi zarówno potwornie, jak i niesamowicie, ale w rzeczywistości jest to prognoza teorii strun, nasza najlepsza (ale frustrująco niepełna) próba teorii wszystkiego. Te dziwne, aczkolwiek hipotetyczne, małe cząsteczki są znane jako osie, a jeśli można je znaleźć, oznaczałoby to, że wszyscy żyjemy w ogromnym „axiverse”.
Najlepszą częścią tej teorii jest to, że nie jest to tylko hipoteza fotela fizyka, bez możliwości przetestowania. Ta niezrozumiale ogromna sieć strun może być wykrywana w niedalekiej przyszłości za pomocą faktycznie budowanych teleskopów mikrofalowych.
Jeśli zostanie znaleziony, axiverse dałby nam znaczny krok 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 istnieje hipoteza, że istnieje on z pewnego rodzaju łamania symetrii. Wiem, wiem - więcej żargonu. Czekaj. Fizycy uwielbiają symetrie - kiedy pewne wzorce pojawiają się w matematyce.
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 wpisywać w teorię silnej siły jądrowej. Jednym z rozwiązań tej zagadki jest wprowadzenie we wszechświecie innej symetrii, która „koryguje” to niewłaściwe zachowanie. Jednak ta nowa symetria pojawia się tylko przy ekstremalnie wysokich energiach. Przy codziennych niskich energiach ta symetria znika, aby to wyjaśnić, i wyłania się nowa cząstka - aksion.
Teraz musimy przejść do teorii strun, która jest naszą próbą (i była to nasza główna próba od 50 lat), aby zjednoczyć wszystkie siły natury, zwłaszcza grawitację, w jednym układzie teoretycznym. Okazało się, że jest to szczególnie trudny problem do rozwiązania, ze względu na różnorodne czynniki, z których nie mniej ważne jest to, że aby teoria strunów zadziałała (innymi słowy, matematyka ma nawet nadzieję na wypracowanie), nasze wszechświat musi mieć więcej niż zwykle trzy wymiary przestrzeni i jeden czasu; muszą istnieć dodatkowe wymiary przestrzenne.
Te wymiary przestrzenne oczywiście nie są widoczne gołym okiem; inaczej zauważylibyśmy tego rodzaju rzeczy. Dlatego dodatkowe wymiary muszą być maleńkie i zwinięte na sobie w skalach tak małych, że unikają normalnych wysiłków, aby je dostrzec.
To sprawia, że jest to trudne, ponieważ nie jesteśmy do końca pewni, jak te dodatkowe wymiary zwiną się na sobie, i istnieje około 10 ^ 200 możliwych sposobów, aby to zrobić.
Ale wydaje się, że te układy wymiarowe mają wspólną cechę: istnienie osi, które w teorii strun są cząstkami, które owijają się wokół niektórych zwiniętych wymiarów i utkną.
Co więcej, teoria strun nie przewiduje tylko jednej osi, ale potencjalnie setek różnych rodzajów, o różnych masach, w tym osi, które mogą pojawić się w teoretycznych prognozach dużej 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 nadanie galaktykom większości swojej masy, ale nie może być wykryta przez zwykłe teleskopy? Być może; to otwarte pytanie. Ale osie-jak-ciemna materia muszą stawić czoła trudnym testom obserwacyjnym, więc niektórzy badacze zamiast tego skupiają się na jaśniejszym końcu rodzin osi, badając sposoby ich znalezienia.
A kiedy ci badacze zaczynają wnikać w przewidywane zachowanie tych piórkowych osi we wczesnym wszechświecie, znajdują 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 jednej z tych przemian fazowych (co miało miejsce, gdy wszechświat był mniej niż drugi stary), osie teorii strun nie pojawiły się jako cząstki. Zamiast tego wyglądały jak pętle i linie - sieć lekkich, prawie niewidocznych sznurów przecinających kosmos.
Ten hipotetyczny axiverse, wypełniony różnorodnymi lekkimi strunami osiowymi, nie jest przewidziany przez żadną inną teorię fizyki, tylko teorię strun. Tak więc, jeśli ustalimy, że żyjemy w akswersji, byłby to duży dar dla teorii strun.
Przesunięcie światła
Jak możemy szukać tych ciągów osi? Modele przewidują, że struny osiowe mają bardzo małą masę, więc światło nie zderzy się z osiowym i nie zgnie się, lub osi prawdopodobnie prawdopodobnie nie zmieszają się z innymi cząsteczkami. Przez Drogę Mleczną mogą teraz płynąć miliony ciągów osiowych i nie widzielibyśmy ich.
Ale wszechświat jest stary i duży i możemy to wykorzystać na naszą korzyść, zwłaszcza gdy uznamy, że wszechświat jest również podświetlony.
Kosmiczne tło mikrofalowe (CMB) jest najstarszym światłem we wszechświecie, emitowanym, gdy było tylko dzieckiem - miało około 380 000 lat. To światło przesiąkało wszechświatem przez te wszystkie miliardy lat, filtrując kosmos, aż w końcu uderzyło w coś, jak nasze teleskopy mikrofalowe.
Tak więc, kiedy patrzymy na CMB, widzimy go przez miliardy lat świetlnych wszechświata. To tak, jakby patrzeć na blask latarki przez serie pajęczyn: jeśli w kosmosie przebije się sieć ciągów osiowych, możemy je potencjalnie dostrzec.
W niedawnym badaniu, opublikowanym w bazie danych arXiv 5 grudnia, trio naukowców obliczyło wpływ akswersy na światło CMB. Odkryli, że w zależności od tego, jak kawałek światła przechodzi w pobliżu określonego ciągu osi, polaryzacja tego światła może się przesunąć. Wynika to z faktu, że światło CMB (i całe światło) składa się z fal pól elektrycznych i magnetycznych, a polaryzacja światła mówi nam, w jaki sposób pola elektryczne są zorientowane - coś, co zmienia się, gdy światło CMB natrafi na osi. Możemy zmierzyć polaryzację światła CMB, przepuszczając sygnał przez wyspecjalizowane filtry, co pozwala nam dostrzec ten efekt.
Naukowcy odkryli, że całkowity wpływ na CMB wszechświata pełnego łańcuchów spowodował przesunięcie polaryzacji o około 1%, co jest na granicy tego, co możemy dziś wykryć. Jednak obecnie opracowywani są przyszli twórcy map CMB, tacy jak Cosmic Origins Explorer, satelita Lite (Light) do badań polaryzacji w trybie B i inflacji z kosmicznego wykrywania promieniowania (LiteBIRD) oraz Primordial Inflation Explorer (PIXIE). Te futurystyczne teleskopy byłyby w stanie wywąchać axiverse. A kiedy ci twórcy map pojawią się w sieci, albo stwierdzimy, że żyjemy w akswersji, albo wykluczymy tę konkretną prognozę teorii strun.
Tak czy inaczej, jest wiele do rozwiązania.
Paul M. Sutter jest astrofizykiemOhio State University, gospodarzemZapytaj kosmonautę iRadio kosmicznei autorTwoje miejsce we wszechświecie.
