Dar dacă v-aș spune că universul nostru a fost inundat cu sute de tipuri de particule aproape invizibile și că, cu mult timp în urmă, aceste particule au format o rețea de șiruri care se întind pe univers?
Sună atât de trist, cât și de grozav, dar este de fapt o predicție a teoriei șirurilor, cea mai bună încercare a noastră (dar frustrant incompletă) la o teorie a tuturor. Aceste particule bizare, deși ipotetice, sunt cunoscute sub numele de axiuni și, dacă pot fi găsite, asta ar însemna că trăim cu toții într-un vast „axivers”.
Cea mai bună parte a acestei teorii este că nu este vorba doar de niște ipoteze de fotoliu ale unui fizician, fără posibilitatea de testare. Această rețea incomplet de uriașă de șiruri poate fi detectată în viitorul apropiat cu ajutorul unor telescoape cu microunde care sunt de fapt construite.
Dacă s-ar găsi, axiverse ne-ar da un pas major în a ne descoperi puzzle-ul de ... bine, tot de fizică.
O simfonie de coarde
OK, hai să trecem la afaceri. În primul rând, trebuie să cunoaștem puțin mai bine axia. Axionul, numit de fizicianul (și, ulterior, laureat Nobel) Frank Wilczek în 1978, își primește numele, deoarece se presupune că există dintr-un anumit tip de rupere a simetriei. Știu, știu - mai mult jargon. Stai așa. Fizicienii adoră simetriile - atunci când anumite modele apar în matematică.
Există un fel de simetrie, numită simetrie CP, care spune că materia și antimateria ar trebui să se comporte la fel atunci când coordonatele lor sunt inversate. Dar această simetrie nu pare să se încadreze în mod natural în teoria forței nucleare puternice. O soluție la acest puzzle este introducerea unei alte simetrii în univers care „corectează” acest comportament greșit. Cu toate acestea, această nouă simetrie apare doar la energii extrem de mari. La energiile reduse de zi cu zi, această simetrie dispare, pentru a da socoteală și apare o particulă nouă - axiunea.
Acum, trebuie să apelăm la teoria corzilor, care este încercarea noastră (și a fost principala noastră încercare de 50 de ani acum) de a uni toate forțele naturii, în special gravitația, într-un singur cadru teoretic. S-a dovedit a fi o problemă deosebit de spinoasă de rezolvat, datorită unei varietăți de factori, dar nu cel mai mic este că, pentru ca teoria de coarde să funcționeze (cu alte cuvinte, pentru ca matematica să aibă chiar o speranță de a rezolva), universul trebuie să aibă mai mult decât obișnuitele trei dimensiuni ale spațiului și una dintre timp; trebuie să existe dimensiuni spațiale suplimentare.
Aceste dimensiuni spațiale nu sunt vizibile cu ochiul liber, desigur; altfel, am fi observat chestiile astea. Deci, dimensiunile suplimentare trebuie să fie minuscule și încovoiate pe ele însele la solzi atât de mici încât să se sustragă eforturilor normale de a le detecta.
Ceea ce face acest lucru greu este că nu suntem exact siguri cum aceste dimensiuni suplimentare se curbează pe ele însele și există undeva în jur de 10 ^ 200 de moduri posibile de a face acest lucru.
Dar ceea ce aceste aranjamente dimensionale par să aibă în comun este existența axiunilor, care, în teoria șirurilor, sunt particule care se înfășoară în jurul unora dintre dimensiunile ondulate și se blochează.
Mai mult, teoria corzilor nu prezice o singură axiune, ci potențial sute de tipuri diferite, la o varietate de mase, inclusiv aciunea care ar putea apărea în predicțiile teoretice ale forței nucleare puternice.
Șiruri stupide
Deci, avem o mulțime de particule noi cu tot felul de mase. Grozav! Axiunile pot constitui materie întunecată, care pare să fie responsabilă pentru a oferi galaxiilor cea mai mare parte a masei lor, dar nu poate fi detectată de telescoape obișnuite? Poate; este o întrebare deschisă. Dar axion-as-întuneric-materie trebuie să se confrunte cu unele teste observaționale provocatoare, astfel încât unii cercetători se concentrează în schimb pe capătul mai ușor al familiilor de axion, explorând modalități de a le găsi.
Și atunci când acești cercetători încep să sape în comportamentul prevăzut al acestor acțiuni cu greutatea penei în universul timpuriu, ei găsesc ceva cu adevărat remarcabil. În primele momente ale istoriei cosmosului nostru, universul a trecut prin tranziții de fază, schimbându-și întregul personaj de la stări exotice, cu energie mare, la stări regulate cu energie redusă.
În timpul uneia dintre aceste tranziții de fază (care s-a întâmplat când universul a fost mai mic de o a doua vechime), axiile teoriei de coarde nu au apărut ca particule. În schimb, arătau ca niște bucle și linii - o rețea de coarde ușoare, aproape invizibile, care traversau cosmosul.
Acest ipotetic axiverse, umplut cu o varietate de șiruri ușoare de axie, este prezis de o altă teorie a fizicii, ci de teoria corzilor. Deci, dacă am determina că trăim într-un axivers, ar fi un element important pentru teoria corzilor.
O schimbare în lumină
Cum putem căuta aceste șiruri de axe? Modelele prezic că șirurile de axe au o masă foarte mică, deci lumina nu se va arunca într-o axiune și se va îndoi, sau aciunile probabil nu se vor amesteca cu alte particule. Ar putea exista milioane de șiruri de axe care plutesc prin Calea Lactee chiar acum și nu le vom vedea.
Dar universul este vechi și mare și îl putem folosi în avantajul nostru, mai ales odată ce recunoaștem că universul este și iluminat din spate.
Fundalul cosmic cu microunde (CMB) este cea mai veche lumină din univers, emisă când era doar un copil - aproximativ 380.000 de ani. Această lumină a înmuiat universul în toate aceste miliarde de ani, filtrându-se prin cosmos până când în sfârșit lovește ceva, precum telescoapele noastre cu microunde.
Deci, când ne uităm la CMB, o vedem prin miliarde de ani de lumină în valoare de univers. Este ca și cum ai privi strălucirea unei lanterne printr-o serie de telemea: Dacă există o rețea de șiruri de axe filetate prin cosmos, le-am putea detecta.
Într-un studiu recent, publicat în baza de date arXiv pe 5 decembrie, un trio de cercetători a calculat efectul pe care un axivers îl va avea asupra luminii CMB. Ei au descoperit că, în funcție de modul în care un pic de lumină trece lângă un anumit șir de axie, polarizarea acelei lumini s-ar putea schimba. Asta pentru că lumina CMB (și toată lumina) este formată din unde de câmpuri electrice și magnetice, iar polarizarea luminii ne spune cum sunt orientate câmpurile electrice - ceva care se schimbă atunci când lumina CMB întâlnește o axiune. Putem măsura polarizarea luminii CMB trecând semnalul prin filtre specializate, permițându-ne să selectăm acest efect.
Cercetătorii au descoperit că efectul total asupra CMB dintr-un univers plin de șiruri a introdus o schimbare a polarizării în valoare de aproximativ 1%, ceea ce este chiar pe punctul de a detecta astăzi. Însă viitoarele mappe CMB, cum ar fi Cosmic Origins Explorer, satelitul Lite (Light) pentru studiile de polarizare în modul B și Inflația din fundal cosmic Radiation Detection (LiteBIRD) și Primordial Inflation Explorer (PIXIE) sunt proiectate în prezent. Aceste telescoape futuriste ar fi capabile să adulmeze un axivers. Și odată ce acești mapari vor intra online, vom afla că trăim într-un axivers sau excludem această predicție particulară a teoriei șirurilor.
Oricum, sunt multe de dezlegat.
Paul M. Sutter este astrofizician laUniversitatea de Stat din Ohio, gazdaÎntrebați un Spaceman șiRadio spațială, și autorulLocul tău în Univers.
