В пространстве-времени могут быть трещины, но телескопы человечества их не видят.
Трещины, если они существуют, являются старыми - остатки времени вскоре после Большого взрыва, когда вселенная только что перешла из более горячего, более инопланетного состояния в более прохладное, более знакомое, которое мы видим сегодня. Теория говорит, что это великое успокоение, которое физики называют «фазовым переходом», началось в некоторых местах раньше, чем в других. Пузыри из более прохладной вселенной формировались и распространялись, расцветая в пространстве, пока не встретили другие пузыри. В конце концов, все пространство изменилось, и старая вселенная исчезла.
Но это старое, высокоэнергетическое состояние могло бы существовать на границах между пузырьками, трещинами в ткани пространства-времени, где эти охлаждающие области встречались и не идеально совмещались. Некоторые физики думали, что мы все еще могли бы видеть свидетельство тех трещин или дефектов - известных как "космические нити" - на космическом микроволновом фоне (CMB), тепло, оставшееся от бурного появления вселенной. Но согласно новой статье, это свидетельство было бы слишком слабым для любого телескопа, чтобы когда-либо разобраться с шумом.
Космические струны - сложные объекты для воображения, сказал Оскар Эрнандес, физик из Университета Макгилла в Монреале и соавтор статьи. Но у них есть аналоги в нашем мире.
«Ходили ли вы по замерзшему озеру? Заметили ли вы трещины в замерзшем льду озера? Он все еще довольно твердый. Бояться нечего, но есть трещины», - сказал Эрнандес в прямом эфире.
Эти трещины образуются в процессе фазового перехода, аналогичного космическим струнам.
«Лед - это вода, которая прошла фазовый переход», - сказал он. «Молекулы воды могли свободно двигаться как жидкость, и затем внезапно, где-то, они начинают формироваться в кристалл.… Он начинает складываться в плитки, которые являются шестиугольниками. Теперь представьте себе плитки, которые являются идеальными. шестиугольники и мозаика с этим. Если кто-то на другом конце озера снова начнет мозаику, «шансов на то, что ваши плитки выстроятся в линию, практически нет.
Несовершенные места встречи на замерзшей поверхности озера образуют длинные трещины. В ткани, где пересекаются пространство и время, они образуют космические нити - если основная физика верна.
Исследователи полагают, что в космосе существуют поля, определяющие поведение фундаментальных сил и частиц. Первые фазовые переходы во вселенной породили эти поля.
«Может существовать поле, относящееся к некоторой частице, которая в некотором смысле должна« выбрать направление для замерзания и охлаждения ». А поскольку вселенная действительно большая, она может выбирать разные направления в разных частях вселенной », - сказал он. «Теперь, если это поле подчиняется определенным условиям ... тогда, когда вселенная остынет, появятся линии разрыва, будут линии энергии, которые не могут остыть».
Сегодня эти точки встречи выглядят как бесконечно тонкие энергетические линии в пространстве.
По словам Эрнандеса, поиск этих космических струн будет большим делом, потому что они станут еще одним доказательством того, что физика больше и сложнее, чем позволяет нынешняя модель.
Прямо сейчас, наиболее продвинутая теория физики элементарных частиц, которую исследователи считают убедительно доказанной, известна как Стандартная Модель. Он включает в себя кварки и электроны, составляющие атомы, а также более экзотические частицы, такие как бозон Хиггса и нейтрино.
Однако большинство физиков считают Стандартную модель неполной. Как уже сообщалось в «Живой науке», существует множество идей о том, как расширить ее, от суперсимметричных частиц (то есть «stau slepton») до теории суперструн - идея о том, что все частицы и силы могут быть объяснены как колебания крошечных частиц. многомерные "струны". (Примечание. «Струны» теории суперструн - это не то же самое, что космические «струны». Существует только так много доступных метафор, и иногда физики в разных областях используют одну.)
«Многие расширения Стандартной модели, которые действительно нравятся людям - например, множество теорий суперструн и другие - естественным образом приводят к космическим нитям после того, как происходит инфляция», - сказал Эрнандес. «То, что у нас есть, это объект, который предсказывают очень многие модели, поэтому, если они не существуют, то все эти модели исключаются. И если они существуют, о мой бог, люди счастливы».
С 2017 года наблюдается бурный интерес к попыткам обнаружить строки в CMB, Эрнандес и его соавтор написали в своей статье, опубликованной 18 ноября в базе данных arXiv и еще не рецензированной.
Эрнандес вместе с Разваном Чукой из колледжа Марианополис в Уэстмаунте, Квебек, в прошлом утверждали, что сверточная нейронная сеть - мощный тип программного обеспечения для поиска шаблонов - будет лучшим инструментом для обнаружения свидетельств наличия строк в CMB.
Предполагая идеальную карту CMB без помех, они написали в отдельной статье 2017 года, что компьютер, на котором работает такая нейронная сеть, должен быть способен находить космические струны, даже если их энергетические уровни (или «напряжение») удивительно низки.
Но вернувшись к этому вопросу в этой новой статье 2019 года, они показали, что в действительности почти наверняка невозможно обеспечить достаточно чистые данные CMB для нейронной сети, чтобы обнаружить эти потенциальные строки. Другие, более яркие микроволновые источники затеняют CMB и их трудно полностью распутать. Даже самые лучшие микроволновые инструменты несовершенны, с ограниченным разрешением и случайными колебаниями их точности записи от одного пикселя к другому. Они обнаружили, что все эти и многие другие факторы приводят к тому уровню потери информации, который ни один из существующих или запланированных методов регистрации и анализа CMB никогда не сможет преодолеть, пишут они. Этот метод охоты на космические струны - тупик.
Это не значит, что все потеряно, они написали.
Новый метод поиска космических струн основан на измерениях расширения вселенной во всех направлениях по древним частям вселенной. По словам Эрнандеса, этот метод, называемый картированием интенсивности 21 сантиметра, не основан на изучении движений отдельных галактик или точных изображений CMB. Вместо этого он основан на измерениях скорости, с которой атомы водорода удаляются от Земли в среднем во всех частях глубокого космоса.
Лучшие обсерватории для 21-сантиметрового картирования (так названы потому, что водород излучает электромагнитную энергию с контрольной длиной волны 21 см) еще не в сети. Но когда они прибывают, авторы пишут, есть надежда на более ясное свидетельство космических струн в их данных. И тогда, сказал Эрнандес, охота может начаться заново.
