Entä jos kerroin teille, että maailmankaikkeuksemme oli tulvi satojen erilaisten melkein näkymättömien hiukkasten kanssa ja että nämä hiukkaset muodostivat kauan sitten maailmankaikkeuden ulottuvien merkkijonojen verkon?
Se kuulostaa niin trippyltä ja mahtavalta, mutta se on oikeastaan ennuste jousuteorialle, paras (mutta turhauttavasti epätäydellinen) yritys teoriaan kaikesta. Nämä omituiset, vaikkakin hypoteettiset, pienet hiukkaset tunnetaan aksioina, ja jos ne löytyy, se tarkoittaisi, että elämme kaikki laajassa "akseliveressä".
Paras osa tätä teoriaa on, että se ei ole vain jonkin fyysikon nojatuolihypoteesi ilman mahdollisuutta testata. Tämä käsittämättömästi valtava kielijärjestelmä voi olla havaittavissa lähitulevaisuudessa tosiasiallisesti rakennettavien mikroaaltoteleskooppien avulla.
Jos ne löydetään, akseliväylä antaisi meille suuren askeleen keksimässä palapelin ... hyvin, koko fysiikan.
Merkkijonon sinfonia
Hyvä, aloitetaan liiketoimintaa. Ensinnäkin meidän on tunnettava aksio hiukan paremmin. Aksioni, jonka fyysikko (ja myöhemmin Nobel-palkinnon saaja) Frank Wilczek nimitti vuonna 1978, saa nimensä, koska sen oletetaan olevan olemassa tietystä symmetrianmurtajasta. Tiedän, tiedän - enemmän ammattikieltä. Pidä kiinni. Fyysikot rakastavat symmetrioita - kun tietyt mallit esiintyvät matematiikassa.
On olemassa yhdenlainen symmetria, nimeltään CP-symmetria, joka sanoo, että aineen ja antimaterian tulisi toimia samalla tavalla, kun niiden koordinaatit käännetään. Mutta tämä symmetria ei näytä sopivan luonnollisesti vahvan ydinvoiman teoriaan. Yksi ratkaisu tähän palapeliin on tuoda universumiin uusi symmetria, joka "korjaa" tämän väärän käytöksen. Tämä uusi symmetria esiintyy kuitenkin vain erittäin korkeilla energioilla. Päivittäisissä alhaisissa energioissa tämä symmetria katoaa, ja sen huomioon ottamiseksi, ja ulos tulee uusi hiukkas - aksio.
Nyt meidän on siirryttävä jousiteoriaan, joka on yritys (ja joka on ollut tärkein yritys jo 50 parittoman vuoden ajan) yhdistää kaikki luonnon voimat, erityisesti painovoima, yhdeksi teoreettiseksi kehykseksi. Se on osoittautunut erityisen hankalaksi ratkaistavaksi ongelmaksi monien tekijöiden takia, joista vähiten ei ole, että jousiteorian toimimiseksi (toisin sanoen, että matematiikalla on jopa toivoa treenata), meidän maailmankaikkeudessa on oltava enemmän kuin tavalliset kolme avaruuden ja ajan ulottuvuutta; paikalla on oltava ylimääräisiä mittoja.
Nämä tilamitat eivät tietenkään näy paljaalla silmällä; muuten olisimme huomanneet tällaisen asian. Joten ylimääräisten mittojen on oltava teini-ikäisiä ja käpristyneet itseensä niin pienillä asteikoilla, että ne kiertävät normaalit pyrkimykset niiden havaitsemiseksi.
Vaikeutta tekee siitä, että emme ole aivan varmoja siitä, kuinka nämä ylimääräiset ulottuvuudet käpristyvät itseensä, ja on jonkin verran noin 10 ^ 200 mahdollista tapaa tehdä se.
Mutta millä näillä ulottuvuusjärjestelyillä näyttää olevan yhteistä, on akselien olemassaolo, jotka jousiteoriassa ovat hiukkasia, jotka kiertävät itseään joidenkin käpristyneiden ulottuvuuksien ympäri ja juuttuvat.
Lisäksi jousiteoria ei ennusta vain yhtä akselia, vaan mahdollisesti satoja erityyppisiä erilaisissa massoissa, mukaan lukien aksio, joka saattaa esiintyä voimakkaan ydinvoiman teoreettisissa ennusteissa.
Typerä kielet
Joten, meillä on paljon uusia hiukkasia kaikenlaisilla massoilla. Loistava! Voisiko aksionit muodostaa tumman aineen, joka näyttää olevan vastuussa siitä, että galaksit tuottavat suurimman osan massastaan, mutta jota ei voida havaita tavallisilla kaukoputkilla? Kenties; se on avoin kysymys. Mutta akselit tumma-aineena on kohdattava joihinkin haastaviin havaintokokeisiin, joten jotkut tutkijat keskittyvät sen sijaan aksioniperheiden vaaleampaan päähän tutkiessaan tapoja löytää ne.
Ja kun nämä tutkijat alkavat tutkia näiden höyhenpainoaksionien ennustettua käyttäytymistä varhaisessa universumissa, he löytävät jotain todella merkittävää. Kosmosemme historian varhaisimmissa hetkissä maailmankaikkeus kärsi vaihesiirtymien kautta, muuttaen koko luonteensa eksoottisista, suurienergiallisista tiloista säännöllisiin matalaenergiatiloihin.
Yhdessä näistä vaihesiirtymistä (joka tapahtui, kun maailmankaikkeus oli vähemmän kuin toinen vanha), jousiteorian akselit eivät näy hiukkasina. Sen sijaan ne näyttivät silmukoilta ja viivoilta - kevyiden, lähes näkymättömien merkkijonojen verkosta, joka ristiinpiirii kosmoksen.
Tätä hypoteettista akselitapahtumaa, joka on täynnä erilaisia kevyitä akselijonoja, ei ennusta mikään muu fysiikan teoria kuin jousuteoria. Joten, jos päätämme, että elämme akseliväylällä, se olisi suuri apu jousiteorialle.
Valon muutos
Kuinka voimme etsiä näitä akselijonoja? Mallit ennustavat, että akselijonoilla on erittäin pieni massa, joten valo ei törmää akseliin ja taipu tai akselit todennäköisesti eivät sekoitu muiden hiukkasten kanssa. Linnunradan läpi voi kellua miljoonia akselijonoja, emmekä me näe niitä.
Mutta maailmankaikkeus on vanha ja iso, ja voimme käyttää sitä hyväksi, varsinkin kun ymmärrämme, että maailmankaikkeus on myös taustavalaistu.
Kosminen mikroaaltotausta (CMB) on maailmankaikkeuden vanhin valo, joka säteilee, kun se oli vasta vauva - noin 380 000 vuotta vanha. Tämä valo on liotanut maailmankaikkeuden kaikkien näiden miljardien vuosien ajan, suodattanut kosmoksen läpi, kunnes se lopulta osuu johonkin, kuten mikroaaltoteleskoopeihimme.
Joten kun katsomme CMB: tä, näemme sen miljardeja valovuosia kestävän maailmankaikkeuden läpi. Se on kuin katsot taskulampun hehkua monien hämähäkkisarjojen läpi: Jos kosmoksen läpi on kierteitetty aksionijonojen verkko, voisimme havaita ne.
Äskettäisessä tutkimuksessa, joka julkaistiin arXiv-tietokannassa 5. joulukuuta, tutkijoiden kolmio laski vaikutuksen, jonka axiverseella olisi CMB-valoon. He havaitsivat, että riippuen siitä, kuinka vähän valoa kulkee tietyn akselijonon lähellä, kyseisen valon polarisaatio voi siirtyä. Tämä johtuu siitä, että CMB-valo (ja kaikki valo) on tehty sähkö- ja magneettikentän aalloista, ja valon polarisaatio kertoo meille, kuinka sähkökentät ovat suuntautuneet - jotain, joka muuttuu, kun CMB-valo kohtaa akselin. Voimme mitata CMB-valon polarisaatiota johtamalla signaalin erikoistuneiden suodattimien läpi, jolloin voimme valita tämän vaikutuksen.
Tutkijat havaitsivat, että kielillä täynnä jousista täynnä olevaa CMB: n kokonaisvaikutusta polarisaatio muuttui noin 1 prosentilla, mikä on oikealla puolella sitä, mitä voimme havaita tänään. Mutta tulevia CMB-karttaajia, kuten Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) -satelliitti B-moodin polarisaation ja inflaation tutkimiseksi kosmisesta taustan säteilyhavainnosta (LiteBIRD) ja Primordial Inflation Explorer (PIXIE), suunnitellaan parhaillaan. Nämä futuristiset kaukoputket pystyisivät haistamaan akselin. Ja kun nämä kartoittajat tulevat verkkoon, löydämme joko, että elämme akseliväylässä, tai suljemme pois tämän nimenomaisen joustoteorian ennusteen.
Joko niin, on paljon purettava.
Paul M. Sutter on astrofysiikkaOhion osavaltion yliopisto, isäntäKysy avaruusasemalta jaAvaruusradio, ja kirjoittajaPaikkasi maailmankaikkeudessa.
