Що робити, якщо я сказав вам, що наш Всесвіт був затоплений сотнями видів майже невидимих частинок і що, давно, ці частинки утворювали мережу вселенних струн?
Це звучить і хитро, і дивовижно, але насправді це передбачення теорії струн, наша найкраща (але розчарувально неповна) спроба теорії всього. Ці химерні, хоча і гіпотетичні, маленькі частинки відомі як аксіони, і якщо їх можна знайти, це означає, що ми всі живемо у величезній "осьовій".
Найкраща частина цієї теорії полягає в тому, що це не просто гіпотеза про крісло фізика, без можливості тестування. Ця незрозуміло величезна мережа струн може бути виявлена найближчим часом за допомогою мікрохвильових телескопів, які фактично будуються.
Якби його знайшли, осьова допомогла б нам зробити головний крок у розгадуванні головоломки… ну, всієї фізики.
Симфонія струн
Гаразд, приступимо до справи. По-перше, нам потрібно трохи краще познайомитися з аксіоном. Аксіон, названий фізиком (а згодом, лауреатом Нобелівської премії) Франком Вільчеком у 1978 році, отримав свою назву, оскільки існує гіпотеза про існування певного виду симетричності. Я знаю, я знаю - більше жаргону. Зачекай. Фізики люблять симетрії - коли в математиці з’являються певні закономірності.
Існує один вид симетрії, який називається симетрією СР, який говорить про те, що матерія та антиматерія повинні поводитись однаково, коли їхні координати зворотні. Але ця симетрія, схоже, природно не вписується в теорію сильної ядерної сили. Одне рішення цієї головоломки - ввести ще одну симетрію у Всесвіті, яка "виправляє" цю поведінку. Однак ця нова симетрія виявляється лише при надзвичайно високій енергії. За повсякденних низьких енергій ця симетрія зникає, і для цього і випливає нова частинка - аксіон.
Тепер нам потрібно звернутися до теорії струн, яка є нашою спробою (і це була наша основна спроба вже 50 років) об'єднати всі сили природи, особливо гравітацію, в єдині теоретичні рамки. Доведено, що це дуже терниста проблема, яку потрібно вирішити через різноманітні фактори, не останнє з яких полягає в тому, що для теорії струн працює (іншими словами, щоб математика навіть мала надію на розробку), наша Всесвіт повинен мати більше, ніж звичайні три виміри простору та одного часу; повинні бути додаткові просторові розміри.
Звичайно, ці просторові розміри не видно неозброєним оком; інакше ми б помітили таку річ. Таким чином, додаткові розміри повинні бути крихітними і скручуватися на себе на таких масштабах, щоб вони уникали звичайних зусиль, щоб їх помітити.
Це ускладнює те, що ми не зовсім впевнені, як ці додаткові розміри згортаються на собі, і існує десь близько 10 ^ 200 можливих способів зробити це.
Але те, що, очевидно, має спільне ці розмірне розташування - це існування аксіонів, які, в теорії струн, є частинками, які обмотуються навколо деяких згорнутих розмірів і застрягають.
Більше того, теорія струн не передбачає лише одного аксіону, а потенційно сотні різних видів при різних масах, включаючи аксіон, який може з'явитися в теоретичних прогнозах сильної ядерної сили.
Нерозумні струни
Отже, у нас є маса нових видів частинок з усілякими масами. Чудово! Чи можуть аксіони утворювати темну речовину, яка, здається, відповідає за те, щоб віддавати галактикам більшу частину своєї маси, але їх не можна виявити звичайними телескопами? Можливо; це відкрите питання. Але ось-як-темна матерія повинна зіткнутися з складними спостережними тестами, тому деякі дослідники замість цього зосереджуються на більш світлому кінці сімейства аксіонів, вивчаючи способи їх пошуку.
І коли ці дослідники починають розкопувати передбачувану поведінку цих пір'яних осей у ранньому Всесвіті, вони виявляють щось справді чудове. У найдавніші моменти історії нашого космосу Всесвіт проходив фазові переходи, змінюючи весь свій характер від екзотичних, високоенергетичних станів до регулярних низько енергетичних.
Під час одного з цих фазових переходів (який стався, коли Всесвіту було менше другої), аксіони теорії струн не представлялися частинками. Натомість вони виглядали як петлі та лінії - мережа легких, майже невидимих струн, що перетинають космос.
Цей гіпотетичний осьовий, наповнений різноманітними легкими струнами аксіону, не передбачає жодна інша теорія фізики, крім теорії струн. Отже, якщо ми визначимо, що ми живемо у осьовій, це було б головним благом для теорії струн.
Зсув світла
Як ми можемо шукати ці рядки аксіонів? Моделі передбачають, що струни аксіонів мають дуже малу масу, тому світло не натикається на аксіон і не згинається, або аксіони, ймовірно, не змішаться з іншими частинками. Зараз через Чумацький Шлях може пропливати мільйони аксіозних струн, і ми їх не побачимо.
Але Всесвіт стара і велика, і ми можемо використовувати це на нашу користь, особливо коли ми визнаємо, що Всесвіт також є підсвічуванням.
Космічний мікрохвильовий фон (CMB) є найдавнішим світлом у Всесвіті, випромінюваним, коли він був ще немовлям - приблизно 380 000 років. Це світло просочило Всесвіт протягом усіх цих мільярдів років, фільтруючи через космос, поки нарешті щось не вдарило, як наші мікрохвильові телескопи.
Отже, коли ми дивимось на CMB, ми бачимо це через світобудову мільйонів світлових років. Це як би дивитися на світіння ліхтарика через низку павутинок: Якщо є мережа струнних аксіонових струн, що протікають через космос, ми могли б їх помітити.
У недавньому дослідженні, опублікованому в базі даних arXiv 5 грудня, тріо дослідників підрахували вплив, який має осьова освіта на світло CMB. Вони виявили, що залежно від того, як трохи світла проходить біля певної струни аксіону, поляризація цього світла може змінитися. Це тому, що світло CMB (і все світло) складається з хвиль електричного та магнітного полів, а поляризація світла говорить нам про те, як орієнтуються електричні поля - те, що змінюється, коли світло CMB стикається з аксіоном. Ми можемо виміряти поляризацію світла CMB, передаючи сигнал через спеціалізовані фільтри, що дозволяє нам виділити цей ефект.
Дослідники виявили, що загальний вплив на СМВ з всесвіту, повного струн, вніс зміну поляризації в розмірі близько 1%, що прямо на межі того, що ми можемо виявити сьогодні. Але в даний час розробляються майбутні картограми CMB, такі як Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) для дослідження поляризації в режимі B та Інфляції від космічного фонового виявлення випромінювання (LiteBIRD) та дослідника первинної інфляції (PIXIE). Ці футуристичні телескопи могли б обнюхувати осьову. І як тільки ці картографи з’являться в Інтернеті, ми або виявимо, що ми живемо в осьовій стороні, або виключимо саме це передбачення теорії струн.
У будь-якому випадку, можна багато розплутати.
Пол М. Саттер є астрофізиком вДержавний університет штату Огайо, господарЗапитайте космонавта іКосмічне радіо, і авторВаше місце у Всесвіті.
