Čo keby som vám povedal, že náš vesmír bol zaplavený stovkami takmer neviditeľných častíc a že tieto častice už dávno tvorili sieť reťazcov pokrývajúcich vesmír?
Znie to Trippy aj úžasne, ale je to vlastne predpoveď teórie strún, náš najlepší (ale frustrujúco neúplný) pokus o teóriu všetkého. Tieto bizarné, aj keď hypotetické, malé častice sú známe ako axióny, a ak by sa dali nájsť, znamenalo by to, že by sme všetci žili v obrovskom „axiverse“.
Najlepšia časť tejto teórie je, že nejde iba o hypotézu kresla fyzika bez možnosti testovania. Táto nepochopiteľne veľká sieť reťazcov sa dá v blízkej budúcnosti zistiť pomocou mikrovlnných teleskopov, ktoré sa v skutočnosti stavajú.
Ak by sme ho našli, Axiverse by nám poskytol výrazný krok pri zisťovaní záhady ... dobre, všetkej fyziky.
Symfónia strún
OK, poďme sa pustiť do práce. Najprv musíme poznať axion o niečo lepšie. Axion pomenovaný fyzikom (a neskôr laureátom Nobelovej ceny) Frank Wilczek v roku 1978, dostal svoje meno, pretože sa predpokladá, že existuje z istého druhu lámania symetrie. Ja viem, viem - viac žargónu. Počkaj. Fyzici milujú symetriu - keď sa v matematike objavia určité vzorce.
Existuje jeden druh symetrie, nazývaný symetria CP, ktorý hovorí, že hmota a antihmota by sa mali správať rovnako, keď sú ich súradnice obrátené. Nezdá sa však, že táto symetria prirodzene zapadá do teórie silných jadrových síl. Jedným z riešení tejto hádanky je predstaviť vo vesmíre ďalšiu symetriu, ktorá „koriguje“ toto nesprávne správanie. Táto nová symetria sa však objavuje iba pri extrémne vysokých energiách. Pri každodenných nízkych energiách táto symetria zmizla, a aby sa za to zodpovedala, a von sa objaví nová častica - axión.
Teraz sa musíme obrátiť na teóriu strún, čo je náš pokus (a bol to náš hlavný pokus už 50 rokov) spojiť všetky prírodné sily, najmä gravitáciu, do jediného teoretického rámca. Ukázalo sa, že je to obzvlášť zložitý problém, ktorý je potrebné vyriešiť v dôsledku rôznych faktorov, v neposlednom rade je to, že na to, aby fungovala teória strún (inými slovami, aby matematika mala dokonca nádej na vypracovanie), naša vesmír musí mať viac ako obvyklé tri dimenzie priestoru a jeden čas; musia existovať ďalšie priestorové rozmery.
Tieto priestorové rozmery nie sú voľným okom samozrejme viditeľné; inak by sme si to všimli. Ďalšie dimenzie musia byť dospievajúce a stočené na seba v mierkach tak malých, že sa vyhýbajú bežným snahám ich nájsť.
To sťažuje to, že si nie sme úplne istí, ako sa tieto ďalšie rozmery stočia na seba, a existuje niekde okolo 10 až 200 možných spôsobov, ako to urobiť.
Zdá sa však, že tieto dimenzionálne usporiadania majú spoločné to, že existuje axiony, ktoré sú podľa teórie strún častice, ktoré sa navíjajú okolo niektorých zvinutých rozmerov a uviaznu.
A čo viac, teória strún nepredpovedá iba jednu axiu, ale potenciálne stovky rôznych druhov, pri rôznych množstvách vrátane axiónu, ktorý sa môže objaviť v teoretických predpovediach silnej jadrovej sily.
Hlúpe struny
Máme veľa nových druhov častíc so všetkými druhmi hmôt. Skvelé! Dokážu osí tvoriť temnú hmotu, ktorá sa zdá byť zodpovedná za to, že dáva galaxiám väčšinu svojej hmotnosti, ale obyčajné teleskopy ich nedokážu zistiť? Možno; je to otvorená otázka. Ale Axions-as-dark-hmota musí čeliť náročným observačným testom, takže niektorí vedci sa namiesto toho zameriavajú na ľahší koniec rodín axionov a hľadajú spôsoby, ako ich nájsť.
A keď títo vedci začnú kopať do predpovedaného správania sa týchto chvostových pásov v ranom vesmíre, nájdu niečo skutočne pozoruhodné. V najskorších okamihoch histórie nášho vesmíru prešiel vesmír fázovými prechodmi a zmenil celý svoj charakter z exotických vysokoenergetických stavov na normálne nízkoenergetické stavy.
Počas jednej z týchto fázových prechodov (ku ktorým došlo, keď bol vesmír menej ako druhý starý) sa axóny teórie strún neobjavili ako častice. Namiesto toho vyzerali ako slučky a línie - sieť ľahkých, takmer neviditeľných reťazcov, ktoré prechádzajú kozmom.
Táto hypotetická axiverse, naplnená množstvom ľahkých reťazcov axiónov, nepredpovedá žiadna iná teória fyziky, ale teória strún. Takže, ak zistíme, že žijeme v axiverse, bolo by to veľkým prínosom pre teóriu strún.
Posun svetla
Ako môžeme vyhľadať tieto reťazce Axion? Modely predpovedajú, že reťazce axiónov majú veľmi nízku hmotnosť, takže svetlo nebude narážať do osi a ohybu, alebo sa pravdepodobne nebude miešať s inými časticami. Mliečnou cestou by sa teraz mohli vznášať milióny axionových strún a my by sme ich neuvidelili.
Ale vesmír je starý a veľký, a môžeme ho využiť vo svoj prospech, najmä akonáhle zistíme, že vesmír je tiež podsvietený.
Pozadie kozmického mikrovlnného žiarenia (CMB) je najstarším svetlom vo vesmíre, ktoré bolo vyžarované, keď bolo ešte malé dieťa - asi 380 000 rokov staré. Toto svetlo nasiaklo vesmír počas všetkých týchto miliárd rokov a filtrovalo sa kozmom, až konečne zasiahlo niečo ako naše mikrovlnné teleskopy.
Keď sa teda pozrieme na CMB, vidíme to prostredníctvom vesmíru v hodnote miliárd svetelných rokov. Je to ako pozerať sa na žiaru baterky cez rad pavučín: Ak existuje sieť axiálnych reťazcov, prepletených cez kozmos, mohli by sme ich potenciálne všimnúť.
V nedávnej štúdii, zverejnenej v databáze arXiv 5. decembra, tri vedci vypočítali vplyv, ktorý by axiverse mal na svetlo CMB. Zistili, že v závislosti od toho, ako kúsok svetla prechádza blízko konkrétneho reťazca axiónov, by sa polarizácia tohto svetla mohla posunúť. Je to preto, že svetlo CMB (a všetko svetlo) je tvorené vlnami elektrických a magnetických polí a polarizácia svetla nám hovorí, ako sú orientované elektrické polia - niečo, čo sa mení, keď sa svetlo CMB stretne s axiónom. Môžeme zmerať polarizáciu svetla CMB prechodom signálu cez špecializované filtre, čo nám umožňuje zistiť tento efekt.
Vedci zistili, že celkový účinok na CMB z vesmíru plného reťazcov priniesol posun polarizácie vo výške približne 1%, čo je presne na pokraji toho, čo môžeme dnes zistiť. V súčasnosti sa však pripravujú budúce mapovače CMB, ako je napríklad Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) satelit pre štúdium polarizácie a inflácie v režime B z detekcie žiarenia kozmického pozadia (LiteBIRD) a Prieskumníka infanalýzy pravdy (PIXIE). Tieto futuristické ďalekohľady by boli schopné vyčnieť z axiverse. Akonáhle títo mapovači prídu online, buď zistíme, že žijeme v axiverse, alebo vylúčime túto konkrétnu predpoveď teórie strún.
V obidvoch prípadoch je potrebné rozmotať veľa vecí.
Paul M. Sutter je astrofyzik naŠtátna univerzita v Ohiu, hostiteľSpýtajte sa Spaceman aVesmírne rádioa autor knihyVaše miesto vo vesmíre.
