Что если я скажу вам, что наша вселенная была залита сотнями видов почти невидимых частиц и что давным-давно эти частицы образовали сеть пронизывающих вселенную цепочек?
Звучит как трип и удивительно, но на самом деле это предсказание теории струн, наша лучшая (но разочаровывающе неполная) попытка теории всего. Эти причудливые, хотя и гипотетические, маленькие частицы известны как аксионы, и если их можно будет найти, это будет означать, что мы все живем в огромной "оси".
Лучшая часть этой теории заключается в том, что это не просто гипотеза некоего физика, без возможности проверки. Эта непостижимо огромная сеть струн может быть обнаружена в ближайшем будущем с помощью микроволновых телескопов, которые фактически строятся.
Если бы эта ось была найдена, это дало бы нам большой шаг в разгадке загадки… ну, всей физики.
Симфония струнных
ОК, приступим к делу. Во-первых, нам нужно немного лучше узнать аксион. Аксион, названный физиком (а позже и лауреатом Нобелевской премии) Фрэнком Вильчеком в 1978 году, получил свое название, потому что он предположил существование из определенного вида нарушения симметрии. Я знаю, я знаю - больше жаргона. Оставайтесь на линии. Физики любят симметрии - когда в математике появляются определенные закономерности.
Существует один вид симметрии, называемый CP-симметрией, который говорит, что вещество и антивещество должны вести себя одинаково, когда их координаты меняются местами. Но эта симметрия, похоже, не вписывается в теорию сильной ядерной силы. Одним из решений этой загадки является введение другой симметрии во вселенной, которая «исправляет» это неправильное поведение. Однако эта новая симметрия появляется только при очень высоких энергиях. При каждодневных низких энергиях эта симметрия исчезает, и, чтобы учесть это, появляется новая частица - аксион.
Теперь нам нужно обратиться к теории струн, которая является нашей попыткой (и вот уже 50 лет наша основная попытка) объединить все силы природы, особенно гравитацию, в единую теоретическую структуру. Это оказалось особенно сложной задачей, которую необходимо решить из-за множества факторов, не последним из которых является то, что для теории струн работает (другими словами, для математики даже есть надежда на разработку), наша вселенная должна иметь больше, чем обычные три измерения пространства и одного времени; должны быть дополнительные пространственные измерения.
Конечно, эти пространственные измерения не видны невооруженным глазом; в противном случае мы бы заметили подобные вещи. Таким образом, дополнительные измерения должны быть крошечными и свернутыми в себе на таких маленьких масштабах, что они избегают обычных усилий по их обнаружению.
Что делает это трудным, так это то, что мы не совсем уверены, как эти дополнительные измерения скручиваются сами по себе, и есть где-то около 10 200 возможных способов сделать это.
Но то, что, по-видимому, объединяет эти размерные структуры, - это существование аксионов, которые в теории струн представляют собой частицы, которые вращаются вокруг некоторых свернутых размеров и застревают.
Более того, теория струн предсказывает не один аксион, а потенциально сотни различных типов, с различными массами, включая аксион, который может появиться в теоретических предсказаниях о сильной ядерной силе.
Глупые струны
Итак, у нас есть много новых видов частиц со всевозможными массами. Большой! Могут ли аксионы образовать темную материю, которая, по-видимому, ответственна за то, что дает галактикам большую часть своей массы, но не может быть обнаружена обычными телескопами? Может быть, это открытый вопрос. Но аксионам как темной материи приходится сталкиваться с некоторыми сложными наблюдательными тестами, поэтому некоторые исследователи вместо этого сосредотачиваются на более легком конце семейства аксионов, исследуя способы их поиска.
И когда эти исследователи начинают копаться в предсказанном поведении этих полулегких аксионов в ранней вселенной, они находят что-то действительно замечательное. В самые ранние моменты истории нашего космоса Вселенная проходила фазовые переходы, меняя свой характер от экзотических состояний с высокой энергией к обычным состояниям с низкой энергией.
Во время одного из этих фазовых переходов (который произошел, когда вселенная была меньше чем второй возраст), аксионы теории струн не появились в виде частиц. Вместо этого они выглядели как петли и линии - сеть легких, почти невидимых струн, пересекающих космос.
Эта гипотетическая осевая вселенная, заполненная множеством легких аксионных струн, предсказана не какой-либо другой теорией физики, кроме теории струн. Таким образом, если мы определим, что мы живем во вселенной, это станет главным благом для теории струн.
Сдвиг в свете
Как мы можем искать эти строки аксион? Модели предсказывают, что аксионные струны имеют очень малую массу, поэтому свет не будет сталкиваться с аксионом и изгибаться, или аксионы, вероятно, не будут смешиваться с другими частицами. Прямо сейчас в Млечном Пути могут быть миллионы струн аксионов, и мы их не увидим.
Но вселенная старая и большая, и мы можем использовать это в своих интересах, особенно когда узнаем, что вселенная также имеет подсветку.
Космический микроволновый фон (CMB) является самым старым светом во вселенной, излучаемым, когда он был еще ребенком - около 380 000 лет. Этот свет пропитывал вселенную на протяжении всех этих миллиардов лет, проникая сквозь космос до тех пор, пока он, наконец, не достиг чего-то вроде наших микроволновых телескопов.
Итак, когда мы смотрим на CMB, мы видим его во вселенной на миллиарды световых лет. Это все равно что смотреть на свечение фонарика через ряд паутины: если в космос пронизана сеть аксионных струн, мы могли бы их обнаружить.
В недавнем исследовании, опубликованном 5 декабря в базе данных arXiv, трио исследователей рассчитали влияние, которое ось будет оказывать на свет CMB. Они обнаружили, что в зависимости от того, как немного света проходит рядом с конкретной аксионной струной, поляризация этого света может измениться. Это потому, что свет CMB (и весь свет) состоит из волн электрического и магнитного полей, и поляризация света говорит нам о том, как электрические поля ориентированы - что-то, что меняется, когда свет CMB встречает аксион. Мы можем измерить поляризацию света CMB, пропуская сигнал через специализированные фильтры, что позволяет нам выделить этот эффект.
Исследователи обнаружили, что общее влияние на CMB вселенной, полной струн, привело к сдвигу поляризации, составляющему примерно 1%, что находится прямо на грани того, что мы можем обнаружить сегодня. Но в настоящее время разрабатываются будущие картографы CMB, такие как Cosmic Origins Explorer, спутник Lite (Light) для исследований поляризации и инфляции в B-режиме и обнаружения космического фонового излучения (LiteBIRD) и Primordial Inflation Explorer (PIXIE). Эти футуристические телескопы были бы способны вынюхивать ось. И как только эти картографы появятся в сети, мы либо обнаружим, что живем во вселенной, либо исключим это конкретное предсказание теории струн.
В любом случае, многое можно распутать.
Пол М. Саттер является астрофизиком вГосударственный университет Огайо, хозяинСпроси космонавта иКосмическое Радиои авторВаше место во Вселенной.
