W czasoprzestrzeni mogą być pęknięcia, ale teleskopy ludzkości ich nie widzą.
Pęknięcia, jeśli istnieją, są stare - pozostałości czasów krótko po Wielkim Wybuchu, kiedy wszechświat właśnie przeszedł z gorętszego, bardziej obcego stanu do chłodniejszego, bardziej znanego nam dzisiaj. Teoria ta mówi, że to wielkie ochłodzenie, które fizycy nazywają „przejściem fazowym”, rozpoczęło się wcześniej w niektórych miejscach niż w innych. Pęcherzyki chłodniejszego wszechświata powstały i rozprzestrzeniły się, kwitnąc w przestrzeni, aż napotkały inne bąbelki. W końcu cała przestrzeń zmieniła się i stary wszechświat zniknął.
Ale ten stary, wysokoenergetyczny stan mógł żyć na granicach między bąbelkami, pękając w przestrzeni czasoprzestrzeni, gdzie te stygnące regiony się spotkały i nie pasowały idealnie do siebie. Niektórzy fizycy sądzili, że nadal możemy zobaczyć dowody tych pęknięć lub defektów - znanych jako „kosmiczne struny” - w kosmicznym tle mikrofalowym (CMB), ciepło pozostałe po gwałtownym pojawieniu się wszechświata. Ale według nowego artykułu, dowody te byłyby po prostu zbyt słabe, aby jakikolwiek teleskop mógł się kiedykolwiek przeciwstawić hałasowi.
Kosmiczne struny są trudnymi przedmiotami do wyobrażenia, powiedział Oscar Hernández, fizyk z McGill University w Montrealu i współautor artykułu. Ale mają analogi w naszym świecie.
„Spacerowałeś po zamarzniętym jeziorze? Czy zauważyłeś pęknięcia splecione przez zamarznięty lód w jeziorze? Wciąż jest dość solidny. Nie ma się czego bać, ale są pęknięcia” - powiedział Hernández Live Live
Te pęknięcia powstają w wyniku podobnego procesu przejścia fazowego jak kosmiczne struny.
„Lód to woda, która przeszła fazę” - powiedział. „Cząsteczki wody mogły się swobodnie poruszać jak płyn, a potem nagle gdzieś zaczynają formować się w kryształ.… Zaczyna się układać w płytki, które są sześciokątami. Teraz wyobraź sobie, że masz idealne płytki sześciokąty i układanie płytek. Jeśli ktoś po drugiej stronie jeziora zacznie ponownie układać płytki, „jest praktycznie zerowa szansa, że płytki ułożą się w stos.
Niedoskonałe miejsca spotkań na zamarzniętej powierzchni jeziora tworzą długie pęknięcia. W materiale, w którym przecinają się przestrzeń i czas, tworzą kosmiczne struny - jeśli podstawowa fizyka jest poprawna.
Naukowcy uważają, że w kosmosie istnieją pola, które determinują zachowanie podstawowych sił i cząstek. Pierwsze fazy wszechświata doprowadziły do powstania tych pól.
„Może istnieć pole związane z jakąś cząsteczką, które w pewnym sensie musi„ wybrać kierunek, w którym marznąć i ochłodzić się ”. A ponieważ wszechświat jest naprawdę duży, może wybierać różne kierunki w różnych częściach wszechświata ”- powiedział. „Teraz, jeśli pole to spełnia określone warunki… wtedy, gdy wszechświat ostygnie, pojawią się linie nieciągłości, pojawią się linie energii, które nie mogą się ochłodzić”.
Dzisiaj te miejsca spotkań wyglądałyby jak nieskończenie cienkie linie energii w przestrzeni.
Odnalezienie tych kosmicznych strun byłoby wielką rzeczą, ponieważ byłyby kolejnym dowodem na to, że fizyka jest większa i bardziej skomplikowana, niż pozwala na to obecny model, powiedział Hernández.
Obecnie najbardziej zaawansowana teoria fizyki cząstek, którą zdaniem naukowców została ostatecznie potwierdzona, znana jest jako Model Standardowy. Obejmuje kwarki i elektrony tworzące atomy, a także bardziej egzotyczne cząstki, takie jak bozon Higgsa i neutrina.
Jednak większość fizyków uważa, że model standardowy jest niekompletny. Jak donosi Live Science, istnieje wiele pomysłów na to, jak się na niej rozwinąć, od supersymetrycznych cząstek (tj. „Stau slepton”) do teorii superstrun - idea, że wszystkie cząstki i siły można wytłumaczyć jako wibracje maleńkich , wielowymiarowe „ciągi”. (Uwaga: „struny” teorii superstrun nie są tym samym rodzajem, co „struny kosmiczne”. „Dostępnych jest tylko tyle metafor, a czasem fizycy z różnych dziedzin ponownie je wykorzystują.)
„Wiele rozszerzeń Modelu Standardowego, które ludzie naprawdę lubią - jak wiele teorii superstrun i innych - naturalnie prowadzi do kosmicznych sznurków po inflacji”, powiedział Hernández. „Mamy więc przedmiot przewidziany przez bardzo wiele modeli, więc jeśli nie istnieją, wszystkie te modele są wykluczone. A jeśli istnieją, o mój Boże, ludzie są szczęśliwi”.
Od 2017 roku pojawiło się mnóstwo zainteresowania próbą wykrycia ciągów w CMB, Hernández i jego współautor napisali w swoim artykule, opublikowali 18 listopada w bazie danych arXiv i nie byli jeszcze recenzowani.
Hernández wraz z Razvanem Ciucą z Marianopolis College w Westmount w Quebecu argumentowali w przeszłości, że splotowa sieć neuronowa - potężny rodzaj oprogramowania do wyszukiwania wzorców - byłaby najlepszym narzędziem do wykrywania dowodów na ciągi znaków w CMB.
Zakładając idealną, pozbawioną szumów mapę CMB, napisali w osobnym artykule z 2017 roku, komputer z tego rodzaju siecią neuronową powinien być w stanie znaleźć kosmiczne łańcuchy, nawet jeśli ich poziomy energii (lub „napięcia”) są wyjątkowo niskie.
Ale powracając do tematu w tym nowym artykule z 2019 r., Pokazali, że w rzeczywistości prawie na pewno nie jest możliwe zapewnienie wystarczająco czystych danych CMB, aby sieć neuronowa mogła wykryć te potencjalne łańcuchy. Inne, jaśniejsze źródła mikrofalowe zaciemniają CMB i trudno jest je w pełni rozdzielić. Nawet najlepsze instrumenty mikrofalowe są niedoskonałe, z ograniczoną rozdzielczością i przypadkowymi fluktuacjami w dokładności nagrywania od jednego piksela do drugiego. Stwierdzili, że wszystkie te i wiele innych czynników przyczyniają się do utraty informacji, której żadna obecna lub planowana metoda rejestrowania i analizy CMB nigdy nie będzie w stanie pokonać. Ta metoda polowania na kosmiczne struny to ślepy zaułek.
Ale to nie znaczy, że wszystko przepadło, napisali.
Nowa metoda polowania na kosmiczne struny opiera się na pomiarach ekspansji wszechświata we wszystkich kierunkach w starożytnych częściach wszechświata. Hernández powiedział, że ta metoda - zwana mapowaniem intensywności 21 centymetrów - nie polega na badaniu ruchów poszczególnych galaktyk ani na dokładnych obrazach CMB. Zamiast tego opiera się na pomiarach prędkości, z jaką atomy wodoru oddalają się od Ziemi średnio we wszystkich częściach głębokiej przestrzeni kosmicznej.
Najlepsze obserwatoria do mapowania 21 cm (tak nazwane, ponieważ wodór emituje energię elektromagnetyczną o charakterystycznej długości fali 21 cm) nie są jeszcze dostępne. Ale kiedy przybyli, jak napisali autorzy, istnieje nadzieja na wyraźniejsze dowody kosmicznych łańcuchów w ich danych. A potem, jak powiedział Hernández, polowanie można rozpocząć od nowa.
