La più grande lezione di Einstein sulla relatività generale è che lo spazio stesso non è piatto, immutabile e assoluto. Si intreccia con il tempo in un unico tessuto: lo spazio-tempo. Questo tessuto è continuo, liscio e si piega e si deforma in presenza di materia ed energia. Tutto ciò che esiste in questo spazio-tempo si muove lungo un percorso determinato dalla curvatura dello spazio-tempo, e il suo movimento è limitato dalla velocità della luce. Ma cosa succede se ci sono difetti nel tessuto stesso? Questa non è fantascienza, ma un'idea realmente esistente nella fisica teorica. Ad esso sono associati relitti ad alta energia come muri di domini, stringhe cosmiche e monopoli. Ethan Siegel di Medium.com ha cercato di rispondere alla domanda su quale sia la loro origine, proprietà e come andranno d'accordo con l'universo ordinario.
Si è scoperto che ottenere un universo difettoso non è così difficile matematicamente.
Il comportamento gravitazionale della Terra in orbita non è dovuto alla gravitazione gravitazionale invisibile, ma è meglio descritto dalla Terra che cade liberamente attraverso lo spazio curvo in presenza del Sole. Anche in questo caso la curvatura dello spazio sarà troppo piccola e non ci saranno difetti in essa.
Cerca di rappresentare lo spazio nel miglior modo possibile. Che cosa sembra? Sarà vuoto, liscio e per lo più uniforme? Pensi anche tu che le uniche deviazioni da questo stato saranno associate alla presenza di masse e quanti di energia? Questo è un buon approccio che solitamente i fisici adottano. Su larga scala, lo spazio sarà una griglia tridimensionale, le uniche deviazioni in cui saranno piccole regioni di curvatura spaziale di piccola grandezza, creando la forza gravitazionale che conosciamo bene. Lo spazio in questa configurazione sarà nello stato di minor energia.
Il tessuto dello spazio-tempo si increspa e si deforma a causa della massa. Per quanto ne sappiamo, lo spazio non si piega mai su se stesso e non si piega mai.
Ma per quanto riguarda gli stati eccitati? O altri? Per semplificare, sottraiamo due dimensioni spaziali e ne teniamo una: la linea. La linea può essere diritta, aperta e infinita o chiusa, come un anello. In entrambi i casi, saranno linee in uno stato di minor energia. Come sarebbe uno stato di alta energia? Immagina di prendere la tua linea e appenderla come una corda. Ora fai un nodo sulla corda, come se stessi legando i lacci. Una stringa senza un nodo rappresenterà uno spazio unidimensionale nello stato di energia più bassa; una corda con un nodo rappresenterà uno spazio unidimensionale nel primo stato eccitato. Questo nodo sarà un difetto topologico 0-dimensionale.
Ora puoi fare alcune cose interessanti con la riga contenente il nodo. Puoi fare un altro nodo allo stesso modo e ottenere due difetti topologici invece di uno. Ma se leghi il nodo nella direzione opposta (cioè fai lo stesso cappio, ma altrimenti incrocia le estremità prima di lanciarlo e stringere), questo nodo sarà topologicamente opposto al nodo originale. Se allinei molto attentamente entrambi i nodi (originale e opposto), si scopre che possono sciogliersi a vicenda e riportare la linea a uno stato di bassa energia.
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Due tipi di questi effetti a dimensione zero - nodo e anti-nodo - hanno analogie fisiche nel nostro universo: monopoli magnetici. Il nodo corrisponde a un polo nord magnetico isolato; anti-nodo al polo magnetico sud isolato. Se li combini, si annientano, come la materia e l'antimateria, e riportano il tessuto dello spazio-tempo a uno stato di bassa energia. Poiché i monopoli sono solo particelle puntiformi, si comporteranno come materia ordinaria, non molto diversa dai monopoli elettrici (cariche elettriche positive e negative) che esistono nel nostro universo.
Il concetto di un monopolo magnetico che emette linee di campo magnetico nello stesso modo in cui una carica elettrica isolata emetterebbe linee di campo elettrico
Quindi torniamo al nostro universo 3D. Ora puoi immaginare non solo difetti puntuali, ma anche difetti ad alta dimensione:
- Stringhe cosmiche: quando una linea unidimensionale in qualche modo permea l'intero universo osservabile
- Muri di dominio: quando un piano bidimensionale con proprietà diverse da un lato all'altro attraversa l'universo
- Trame spaziali: quando un'area di spazio tridimensionale viene attorcigliata in nodi
Quindi, abbiamo monopoli (0-dimensionale), stringhe (1-dimensionale), pareti (2-dimensionali) e trame (3-dimensionali) - tutti i tipi di difetti che derivano da diversi meccanismi della stessa classe: quando la simmetria è rotta.
Le differenze tra gli universi, uno creato secondo la cosmologia standard (a sinistra) e uno creato con una rete significativa di difetti topologici (a destra), danno origine a una varietà di strutture su larga scala. Le nostre osservazioni sono sufficienti per escludere stringhe cosmiche e muri di dominio come la componente dominante dell'universo moderno.
La rottura della simmetria è una cosa seria in fisica. Ogni simmetria esistente corrisponde a un valore memorizzato, quindi se la simmetria viene interrotta, quel valore non viene più memorizzato. I monopoli possono essere prodotti rompendo la simmetria sferica; le stringhe possono essere prodotte rompendo la simmetria angolare o cilindrica; la violazione della simmetria discreta può creare muri di dominio. Altri difetti sono un po 'più difficili da trovare, ma spesso entrano in gioco quando si tratta di scenari con dimensioni aggiuntive. Ma i primi tre - in particolare, monopoli, stringhe cosmiche e muri di dominio - sono di particolare interesse per la cosmologia.
Sappiamo che tutto non è limitato al Modello Standard e ci sono molte estensioni e aggiunte che possono avere conseguenze osservabili interessanti. Uno di questi è l'idea della Grande Unificazione, quando forze nucleari elettromagnetiche, deboli e forti si combinano ad alte energie. L'idea alla base dell'unificazione è che tutte e tre le forze del Modello Standard, e forse anche la gravità alle alte energie, potrebbero essere combinate in un'unica struttura. Ciò non solo porterebbe all'emergere di nuove particelle e interazioni, ma consentirebbe anche l'emergere di monopoli magnetici. La mancanza di monopoli magnetici nell'Universo osservabile è spesso citata come prova dell'inflazione cosmica e che l'Universo non diventerà mai abbastanza caldo dopo la fine dell'inflazione per ripristinare la simmetria delle Teorie della Grande Unificazione.
Se la simmetria che assicura la Grande Unificazione fosse rotta, apparirebbe un numero colossale di monopoli magnetici. Ma non sono nel nostro universo; se l'inflazione cosmica si verificasse dopo che questa simmetria è stata interrotta, almeno un monopolo dovrebbe rimanere all'interno dell'universo osservabile
Le stringhe cosmiche e le pareti dei domini potrebbero apparire durante le transizioni di fase, se realmente esistessero, subito dopo la fine dell'inflazione. Potrebbero esserci alcune simmetrie ad altissima energia formate nei primi tempi, quando si rompono, compaiono difetti simili. Stringhe cosmiche e muri di dominio - una o un'intera rete - dovrebbero lasciare una firma nella struttura su larga scala dell'universo, le trame apparirebbero nel CMB e i monopoli dovrebbero essere creati attraverso esperimenti diretti. Alcuni fisici indicano il monopolo magnetico scoperto il 14 febbraio 1982, come prova dell'inflazione cosmica: c'era un monopolo nell'universo osservabile, e lo abbiamo visto!
Nel 1982, un esperimento condotto da Blas Cabrera, armato di otto spire di filo, registrò un cambiamento nel flusso di otto magnetoni: letture che indicavano un monopolo magnetico. Purtroppo al momento del ritrovamento nessuno era nelle vicinanze e nessuno è stato in grado di riprodurre il risultato, oltre a trovare un altro monopolo
E se i monopoli si comportano come la materia, stringhe cosmiche, muri di domini o strutture cosmologiche influenzeranno seriamente l'espansione dell'Universo. Le stringhe cosmiche si comporteranno come una curvatura spaziale, limitata a circa lo 0,4% della densità di energia totale, e le pareti dei domini creeranno una forma di energia oscura che sta accelerando l'espansione dell'universo così lentamente che non sarà nemmeno notata. Le trame cosmologiche avranno lo stesso effetto della costante cosmologica, ma il nostro universo osservabile dovrà essere limitato a un singolo difetto per spiegare le nostre osservazioni.
Vari componenti della densità energetica dell'Universo e quando potrebbero manifestarsi in piena forza. Se stringhe cosmiche o muri di dominio esistessero in qualsiasi quantità, influenzerebbero seriamente l'espansione del nostro universo.
Monopoli, archi, pareti, trame e altri difetti dovrebbero essere super pesanti se esistessero. I monopoli sarebbero le particelle più massicce mai scoperte (100 trilioni di volte più massicce di un quark top). Stringhe, muri e trame diventerebbero i semi per strutture su larga scala, unendo materiale e formando altre strutture che possiamo facilmente vedere con telescopi moderni, sondaggi e dati CMB. I vincoli attuali ci dicono che tali strutture non esistono in abbondanza e difficilmente rappresenterebbero più di una piccola percentuale del bilancio energetico totale dello spazio.
Ad oggi, non ci sono prove che il nostro universo sia difettoso, a parte quella singola osservazione di un monopolo magnetico 35 anni fa. Sebbene non possiamo negare la loro esistenza (unico limite), dobbiamo tenere le orecchie in alto ed essere preparati non solo per il loro possibile rilevamento, ma anche per qualsiasi altra aggiunta al Modello Standard che non è proibita dalla fisica. Nella maggior parte dei casi, se non esistono, deve esserci qualcosa che sopprime la loro esistenza. La mancanza di prove non indica l'assenza del fenomeno. Tuttavia, e anche sulla disponibilità.
Ilya Khel
