Preguntele a Ethan: ¿Podría el tejido del espacio-tiempo estar defectuoso?
El tejido del Universo, el espacio-tiempo, es un concepto difícil de entender. Pero, gracias a la relatividad general de Einstein, estamos a la altura del desafío. Pixabay user JohnsonMartin
Por Ethan Siegel para Forbes Julio 22 de 2017
Las opiniones expresadas por los colaboradores de Forbes son propias.
La lección más grande de la teoría general de la relatividad de Einstein es que el espacio en sí no es una entidad plana, inmutable y absoluta. Más bien está tejida junto con el tiempo, en una sola tela: el espacio-tiempo. Este tejido es continuo, liso, y se curva y deforma por la presencia de materia y energía. Todo lo que está presente dentro de este espacio-tiempo se mueve a lo largo del camino definido por esa curvatura, y su propagación está limitada por la velocidad de la luz.
Pero ¿y si este tejido tuviera defectos?
Esto no es ciencia ficción, sino una idea de buena fe en física teórica, y esta semana pregunte a Ethan pregunta de gaijin, uno de nuestros partidarios de Patreon:
El tema que me gustaría sugerir son reliquias de alta energía, como paredes de dominio, cadenas cósmicas, monopolos, etc ... sería estupendo leer más acerca de cuáles son realmente estos defectos, cuál es su origen, qué propiedades probablemente Tener, o, y esta es probablemente la parte más emocionante para mí, cómo esperamos que parezcan e interactúen con el universo 'ordinario'.
Un Universo defectuoso, cuando se reduce a él, es matematicamente muy fácil de conseguir.
El comportamiento gravitacional de la Tierra alrededor del Sol no se debe a un tirón gravitacional invisible, sino que es mejor descrito por la Tierra que cae libremente a través del espacio curvo dominado por el Sol. Incluso en este caso, sin embargo, la curvatura del espacio es todavía extremadamente pequeña, y no hay defectos en ella. LIGO / T. Pyle
Trate de imaginar el espacio lo mejor que pueda. Cómo se ve? ¿Te imaginas que está vacío, liso y casi uniforme? ¿Estás imaginando que las únicas desviaciones de eso son pequeñas y debido a la presencia de masas y cuantos de energía? Es un enfoque bastante bueno, y el que los físicos normalmente toman. En las escalas más grandes, esperamos que sea como una rejilla tridimensional, donde las únicas desviaciones son pequeñas regiones de baja magnitud de curvatura espacial, que es lo que crea la fuerza gravitacional que conocemos tan bien. El espacio, en esta configuración, estaría en el estado de energía más baja.
El tejido del espacio-tiempo, ilustrado, con ondulaciones y deformaciones debidas a la masa. Pero el espacio nunca se dobla hacia atrás o se pliega sobre sí mismo, por lo que sabemos.
Pero ¿qué pasa con los estados excitados? ¿Qué pasa con otros estados? Para hacerlo más fácil, vamos a quitar dos de la dimensiónes espaciales y sólo considerar una: una línea. La línea puede ser recta, abierta e infinita, o podría ser cerrada, como un bucle. Ambas son líneas en el estado de energía más baja. ¿Cómo sería un estado de energía más alta? Imagínese que tomó su línea y la hizo floja, como una cuerda. Ahora imagine que usted ató un nudo en la cuerda: sólo un bucle, criss-cross, tuck, y tirar. Una cadena libre de nudos representa un espacio unidimensional en el estado de menor energía; Una cadena con un solo nudo en ella representa el espacio unidimensional en el primer estado excitado. Ese nudo es un defecto topológico 0-dimensional.
Un nudo atado en una cuerda es análogo a un defecto 0-D a lo largo de una línea 1-D. Un nudo con la chirality opuesta, si se ejecuta en este nudo, podría deshacer ambos, restaurando el estado de energía más baja. Dominio Público / Pixabay
Ahora, puedes hacer algunas cosas interesantes con esa línea que contiene nudos. Usted puede atar otro nudo de la misma manera, y ahora usted tendrá dos defectos topológicos que ambos añaden. Pero si usted ata un nudo en la dirección opuesta, es decir, hizo el mismo bucle, pero cruzó los extremos de la manera opuesta antes de doblar y tirar, se hace un nudo que es el opuesto topológico del nudo original. Si trajiste con mucho cuidado el nudo original y este nuevo nudo atado de manera opuesta, encontrarías que podrían deshacerte unos a otros, volviéndote al estado de menor energía.
Pues bien, esos dos tipos de defectos de dimensión cero --el nudo y el antinuclear-- tienen analogías físicas en nuestro Universo: monopolos magnéticos. Un nudo corresponde a un polo magnético norte aislado; Un anti-nudo corresponde a un polo magnético sur aislado. Si usted tiene una carrera en la otra, pueden aniquilar, al igual que la materia y la antimateria, y devolver el tejido del espacio-tiempo a su estado de energía más baja. Debido a que son sólo partículas puntuales, los monopolos se comportan como la materia normal, no muy diferente de los monopolos eléctricos (cargas eléctricas positivas y negativas) que tenemos en nuestro Universo de hoy.
El concepto de un monopolo magnético, que emite líneas de campo magnético de la misma manera que una carga eléctrica aislada emiten líneas de campo eléctrico. Estados BPS en Omega Antecedentes e Integrabilidad - Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Así que volvamos, ahora, a nuestro universo tridimensional. Usted puede imaginar no sólo puntos como los defectos, sino más altos defectos dimensionales, también:
[1.]Cuerdas Cósmicas: donde una línea unidimensional de algún tipo atraviesa todo el Universo observable.
[2.]Paredes del dominio: donde un plano bidimensional, con propiedades discontinuas de un lado al otro, atraviesa el Universo.
[3.]Texturas Cósmicas: donde una región de espacio tridimensional se anuda.
Por lo tanto, tenemos defectos de monopolo (0-D), cadena (1-D), pared (2-D) y textura (3-D) que son posibilidades y surgen de diferentes mecanismos de la misma clase: es una ruptura.
Las diferencias entre un Universo creado de acuerdo con la cosmología estándar (L) y una con una red significativa de defectos topológicos (R) dan estructuras de gran escala muy diferentes. Tenemos suficientes observaciones para descartar cuerdas cósmicas y paredes de dominio como un componente dominante del Universo moderno. Andrey Kravtsov (simulación cosmológica, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulación en una cadena cósmica Universo, R)
La ruptura de la simetría es una gran cosa en física. Toda simetría que existe corresponde a una cantidad conservada, y así, si se rompe una simetría, esa cantidad ya no se conserva. Puede producir monopolos rompiendo una simetría esférica; Puede producir cadenas rompiendo una simetría axial o cilíndrica; Romper una simetría discreta (como la paridad o la reflexión de la imagen reflejada) puede crear paredes de dominio. Otros defectos son un poco más difíciles de intuir, pero a menudo entran en juego cuando se trata de escenarios extra-dimensionales. Pero los primeros tres en particular - monopoles, cuerdas cósmicas, y las paredes del dominio -- son de particular interés para la cosmología.
La idea de la unificación sostiene que las tres fuerzas del Modelo Estándar, y tal vez incluso la gravedad de las energías superiores, se unen en un solo marco. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Sabemos que el Modelo Estándar no puede ser todo lo que existe, y hay muchas extensiones que podrían tener fascinantes consecuencias observables. Una es la idea de la Gran Unificación, donde las fuerzas nucleares electromagnéticas, débiles y fuertes se unifican con alguna energía alta. Esto no sólo daría lugar a la presencia de nuevas partículas y nuevas interacciones, sino que cuando la simetría mantenga la fuerza fuerte junto con las otras dos roturas, los monopolos magnéticos deben ser producidos. La falta de monopolos magnéticos en nuestro Universo observable se cita a menudo como evidencia para la inflación cósmica y para evidencia adicional de que el Universo nunca se calienta lo suficiente después de que la inflación termina para restaurar la simetría de las Grandes Teorías Unificadas.
Si la simetría restauradora de la gran unificación se rompiera, se produciría un gran número de monopolos magnéticos. Pero nuestro Universo no los exhibe; Si la inflación cósmica tuvo lugar después de que se rompió esta simetría, al menos un monopolo estaría presente dentro del Universo observable. E. Siegel / más allá de la galaxia
Las cadenas cósmicas y las paredes del dominio se producirían en transiciones de fase, si existen, poco después del final de la inflación. Puede haber simetrías de alta energía extra que se restauran en los primeros tiempos, y cuando se rompen, estos defectos pueden ser creados. Tanto las cadenas cósmicas como las paredes de dominio --ya sea una sola o una red de ellas-- dejarían una firma en la estructura a gran escala del Universo, mientras que las texturas aparecerían en el CMB y los monopolos aparecerían en experimentos de detección directa. Algunos físicos, con la lengua en la mejilla, apuntan al monopolo magnético descubierto en el Día de San Valentín en 1982 como evidencia de la inflación cósmica: ¡hay solo un monopolo en todo el Universo observable, y lo vimos!
En 1982, un experimento bajo la dirección de Blas Cabrera, uno con ocho vueltas de alambre, detectó un cambio de flujo de ocho magnetones: indicaciones de un monopolo magnético. Desafortunadamente, nadie estuvo presente en el momento de la detección, y nadie ha reproducido nunca este resultado o encontrado un segundo monopolo. Cabrera B. (1982). Primeros resultados de un detector superconductor para mover monopoles magnéticos, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Mientras que los monopolos actuarían como materia, un Universo con cuerdas cósmicas, paredes de dominio, o texturas cosmológicas afectaría la expansión del Universo de manera importante. Las cuerdas cósmicas se comportarían como una curvatura espacial, algo restringido a ser menos del 0,4% de la densidad energética total, mientras que las paredes del dominio crearían una forma de energía oscura que aceleraría el Universo demasiado lentamente para explicar lo que observamos. Una textura cosmológica tendría los mismos efectos que una constante cosmológica, pero todo nuestro universo observable tendría que estar contenido dentro de un solo defecto para explicar nuestras observaciones.
Varios componentes de la densidad energética del Universo y sus contribuyentes, y cuando pueden dominar. Si las cuerdas cósmicas o las paredes del dominio existían en cualquier cantidad apreciable, contribuirían perceptiblemente a la extensión del universo. E. Siegel / más allá de la galaxia
Monopolo, cuerdas, paredes, texturas y cualquier otro defecto debe ser ultra pesado si existe. Los monopolos deben ser las partículas mas masivas jamas descubiertas, si son reales, aproximadamente un factor de 100 billones (1014) veces mas masivo que el quark superior. Las cuerdas, las paredes y las texturas deben actuar como las semillas de una estructura a gran escala, atrayendo la materia hacia ella antes de que se formen otras estructuras y creando firmas que deberían ser muy claras, dada la potencia de los telescopios, encuestas y datos CMB de hoy. Las restricciones modernas nos dicen que estas estructuras no existen en gran abundancia, y no pueden ser más que un pequeño porcentaje del presupuesto total de energía cósmica.
Nuestro fondo de microondas cósmico, y el espectro de las fluctuaciones dentro de él, apunta a la invarianza de escala, mientras que una red de cadenas cósmicas habría exhibido un aumento muy pronunciado en el lado izquierdo del gráfico. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
A partir de hoy, no hay evidencia de que nuestro Universo esté defectuoso, salvo por aquella observación de un monopolo magnético hace unos 35 años. Aunque no podemos desmentir su existencia (sólo podemos restringirla), debemos mantener nuestras mentes abiertas a la posibilidad de que estos defectos topológicos no estén prohibidos, y que muchas extensiones al Modelo Estándar de la Física los necesiten. En muchos escenarios, si no existen, es porque algo adicional debe suprimirlos. La ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia, pero hasta que vemos otra cosa que señala que un defecto topológico es real en el Universo, tenemos que dejar esta idea en el ámbito de la especulación.
Envia tus preguntas sobre el universo a Ask Ethan preguntas a startswithabang en gmail dot com!
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Comenzó con una explosión
El Universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
El tejido del Universo, el espacio-tiempo, es un concepto difícil de entender. Pero, gracias a la relatividad general de Einstein, estamos a la altura del desafío. Pixabay user JohnsonMartin
Por Ethan Siegel para Forbes Julio 22 de 2017
Las opiniones expresadas por los colaboradores de Forbes son propias.
La lección más grande de la teoría general de la relatividad de Einstein es que el espacio en sí no es una entidad plana, inmutable y absoluta. Más bien está tejida junto con el tiempo, en una sola tela: el espacio-tiempo. Este tejido es continuo, liso, y se curva y deforma por la presencia de materia y energía. Todo lo que está presente dentro de este espacio-tiempo se mueve a lo largo del camino definido por esa curvatura, y su propagación está limitada por la velocidad de la luz.
Pero ¿y si este tejido tuviera defectos?
Esto no es ciencia ficción, sino una idea de buena fe en física teórica, y esta semana pregunte a Ethan pregunta de gaijin, uno de nuestros partidarios de Patreon:
El tema que me gustaría sugerir son reliquias de alta energía, como paredes de dominio, cadenas cósmicas, monopolos, etc ... sería estupendo leer más acerca de cuáles son realmente estos defectos, cuál es su origen, qué propiedades probablemente Tener, o, y esta es probablemente la parte más emocionante para mí, cómo esperamos que parezcan e interactúen con el universo 'ordinario'.
Un Universo defectuoso, cuando se reduce a él, es matematicamente muy fácil de conseguir.
El comportamiento gravitacional de la Tierra alrededor del Sol no se debe a un tirón gravitacional invisible, sino que es mejor descrito por la Tierra que cae libremente a través del espacio curvo dominado por el Sol. Incluso en este caso, sin embargo, la curvatura del espacio es todavía extremadamente pequeña, y no hay defectos en ella. LIGO / T. Pyle
Trate de imaginar el espacio lo mejor que pueda. Cómo se ve? ¿Te imaginas que está vacío, liso y casi uniforme? ¿Estás imaginando que las únicas desviaciones de eso son pequeñas y debido a la presencia de masas y cuantos de energía? Es un enfoque bastante bueno, y el que los físicos normalmente toman. En las escalas más grandes, esperamos que sea como una rejilla tridimensional, donde las únicas desviaciones son pequeñas regiones de baja magnitud de curvatura espacial, que es lo que crea la fuerza gravitacional que conocemos tan bien. El espacio, en esta configuración, estaría en el estado de energía más baja.
El tejido del espacio-tiempo, ilustrado, con ondulaciones y deformaciones debidas a la masa. Pero el espacio nunca se dobla hacia atrás o se pliega sobre sí mismo, por lo que sabemos.
Pero ¿qué pasa con los estados excitados? ¿Qué pasa con otros estados? Para hacerlo más fácil, vamos a quitar dos de la dimensiónes espaciales y sólo considerar una: una línea. La línea puede ser recta, abierta e infinita, o podría ser cerrada, como un bucle. Ambas son líneas en el estado de energía más baja. ¿Cómo sería un estado de energía más alta? Imagínese que tomó su línea y la hizo floja, como una cuerda. Ahora imagine que usted ató un nudo en la cuerda: sólo un bucle, criss-cross, tuck, y tirar. Una cadena libre de nudos representa un espacio unidimensional en el estado de menor energía; Una cadena con un solo nudo en ella representa el espacio unidimensional en el primer estado excitado. Ese nudo es un defecto topológico 0-dimensional.
Un nudo atado en una cuerda es análogo a un defecto 0-D a lo largo de una línea 1-D. Un nudo con la chirality opuesta, si se ejecuta en este nudo, podría deshacer ambos, restaurando el estado de energía más baja. Dominio Público / Pixabay
Ahora, puedes hacer algunas cosas interesantes con esa línea que contiene nudos. Usted puede atar otro nudo de la misma manera, y ahora usted tendrá dos defectos topológicos que ambos añaden. Pero si usted ata un nudo en la dirección opuesta, es decir, hizo el mismo bucle, pero cruzó los extremos de la manera opuesta antes de doblar y tirar, se hace un nudo que es el opuesto topológico del nudo original. Si trajiste con mucho cuidado el nudo original y este nuevo nudo atado de manera opuesta, encontrarías que podrían deshacerte unos a otros, volviéndote al estado de menor energía.
Pues bien, esos dos tipos de defectos de dimensión cero --el nudo y el antinuclear-- tienen analogías físicas en nuestro Universo: monopolos magnéticos. Un nudo corresponde a un polo magnético norte aislado; Un anti-nudo corresponde a un polo magnético sur aislado. Si usted tiene una carrera en la otra, pueden aniquilar, al igual que la materia y la antimateria, y devolver el tejido del espacio-tiempo a su estado de energía más baja. Debido a que son sólo partículas puntuales, los monopolos se comportan como la materia normal, no muy diferente de los monopolos eléctricos (cargas eléctricas positivas y negativas) que tenemos en nuestro Universo de hoy.
El concepto de un monopolo magnético, que emite líneas de campo magnético de la misma manera que una carga eléctrica aislada emiten líneas de campo eléctrico. Estados BPS en Omega Antecedentes e Integrabilidad - Bulycheva, Kseniya et al. JHEP 1210 (2012) 116
Así que volvamos, ahora, a nuestro universo tridimensional. Usted puede imaginar no sólo puntos como los defectos, sino más altos defectos dimensionales, también:
[1.]Cuerdas Cósmicas: donde una línea unidimensional de algún tipo atraviesa todo el Universo observable.
[2.]Paredes del dominio: donde un plano bidimensional, con propiedades discontinuas de un lado al otro, atraviesa el Universo.
[3.]Texturas Cósmicas: donde una región de espacio tridimensional se anuda.
Por lo tanto, tenemos defectos de monopolo (0-D), cadena (1-D), pared (2-D) y textura (3-D) que son posibilidades y surgen de diferentes mecanismos de la misma clase: es una ruptura.
Las diferencias entre un Universo creado de acuerdo con la cosmología estándar (L) y una con una red significativa de defectos topológicos (R) dan estructuras de gran escala muy diferentes. Tenemos suficientes observaciones para descartar cuerdas cósmicas y paredes de dominio como un componente dominante del Universo moderno. Andrey Kravtsov (simulación cosmológica, L); B. Allen & E.P. Shellard (simulación en una cadena cósmica Universo, R)
La ruptura de la simetría es una gran cosa en física. Toda simetría que existe corresponde a una cantidad conservada, y así, si se rompe una simetría, esa cantidad ya no se conserva. Puede producir monopolos rompiendo una simetría esférica; Puede producir cadenas rompiendo una simetría axial o cilíndrica; Romper una simetría discreta (como la paridad o la reflexión de la imagen reflejada) puede crear paredes de dominio. Otros defectos son un poco más difíciles de intuir, pero a menudo entran en juego cuando se trata de escenarios extra-dimensionales. Pero los primeros tres en particular - monopoles, cuerdas cósmicas, y las paredes del dominio -- son de particular interés para la cosmología.
La idea de la unificación sostiene que las tres fuerzas del Modelo Estándar, y tal vez incluso la gravedad de las energías superiores, se unen en un solo marco. © ABCC Australia 2015 www.new-physics.com
Sabemos que el Modelo Estándar no puede ser todo lo que existe, y hay muchas extensiones que podrían tener fascinantes consecuencias observables. Una es la idea de la Gran Unificación, donde las fuerzas nucleares electromagnéticas, débiles y fuertes se unifican con alguna energía alta. Esto no sólo daría lugar a la presencia de nuevas partículas y nuevas interacciones, sino que cuando la simetría mantenga la fuerza fuerte junto con las otras dos roturas, los monopolos magnéticos deben ser producidos. La falta de monopolos magnéticos en nuestro Universo observable se cita a menudo como evidencia para la inflación cósmica y para evidencia adicional de que el Universo nunca se calienta lo suficiente después de que la inflación termina para restaurar la simetría de las Grandes Teorías Unificadas.
Si la simetría restauradora de la gran unificación se rompiera, se produciría un gran número de monopolos magnéticos. Pero nuestro Universo no los exhibe; Si la inflación cósmica tuvo lugar después de que se rompió esta simetría, al menos un monopolo estaría presente dentro del Universo observable. E. Siegel / más allá de la galaxia
Las cadenas cósmicas y las paredes del dominio se producirían en transiciones de fase, si existen, poco después del final de la inflación. Puede haber simetrías de alta energía extra que se restauran en los primeros tiempos, y cuando se rompen, estos defectos pueden ser creados. Tanto las cadenas cósmicas como las paredes de dominio --ya sea una sola o una red de ellas-- dejarían una firma en la estructura a gran escala del Universo, mientras que las texturas aparecerían en el CMB y los monopolos aparecerían en experimentos de detección directa. Algunos físicos, con la lengua en la mejilla, apuntan al monopolo magnético descubierto en el Día de San Valentín en 1982 como evidencia de la inflación cósmica: ¡hay solo un monopolo en todo el Universo observable, y lo vimos!
En 1982, un experimento bajo la dirección de Blas Cabrera, uno con ocho vueltas de alambre, detectó un cambio de flujo de ocho magnetones: indicaciones de un monopolo magnético. Desafortunadamente, nadie estuvo presente en el momento de la detección, y nadie ha reproducido nunca este resultado o encontrado un segundo monopolo. Cabrera B. (1982). Primeros resultados de un detector superconductor para mover monopoles magnéticos, Physical Review Letters, 48 (20) 1378-1381
Mientras que los monopolos actuarían como materia, un Universo con cuerdas cósmicas, paredes de dominio, o texturas cosmológicas afectaría la expansión del Universo de manera importante. Las cuerdas cósmicas se comportarían como una curvatura espacial, algo restringido a ser menos del 0,4% de la densidad energética total, mientras que las paredes del dominio crearían una forma de energía oscura que aceleraría el Universo demasiado lentamente para explicar lo que observamos. Una textura cosmológica tendría los mismos efectos que una constante cosmológica, pero todo nuestro universo observable tendría que estar contenido dentro de un solo defecto para explicar nuestras observaciones.
Varios componentes de la densidad energética del Universo y sus contribuyentes, y cuando pueden dominar. Si las cuerdas cósmicas o las paredes del dominio existían en cualquier cantidad apreciable, contribuirían perceptiblemente a la extensión del universo. E. Siegel / más allá de la galaxia
Monopolo, cuerdas, paredes, texturas y cualquier otro defecto debe ser ultra pesado si existe. Los monopolos deben ser las partículas mas masivas jamas descubiertas, si son reales, aproximadamente un factor de 100 billones (1014) veces mas masivo que el quark superior. Las cuerdas, las paredes y las texturas deben actuar como las semillas de una estructura a gran escala, atrayendo la materia hacia ella antes de que se formen otras estructuras y creando firmas que deberían ser muy claras, dada la potencia de los telescopios, encuestas y datos CMB de hoy. Las restricciones modernas nos dicen que estas estructuras no existen en gran abundancia, y no pueden ser más que un pequeño porcentaje del presupuesto total de energía cósmica.
Nuestro fondo de microondas cósmico, y el espectro de las fluctuaciones dentro de él, apunta a la invarianza de escala, mientras que una red de cadenas cósmicas habría exhibido un aumento muy pronunciado en el lado izquierdo del gráfico. Takeo Moroi & Tomo Takahashi, http://arxiv.org/abs/hep-ph/0110096
A partir de hoy, no hay evidencia de que nuestro Universo esté defectuoso, salvo por aquella observación de un monopolo magnético hace unos 35 años. Aunque no podemos desmentir su existencia (sólo podemos restringirla), debemos mantener nuestras mentes abiertas a la posibilidad de que estos defectos topológicos no estén prohibidos, y que muchas extensiones al Modelo Estándar de la Física los necesiten. En muchos escenarios, si no existen, es porque algo adicional debe suprimirlos. La ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia, pero hasta que vemos otra cosa que señala que un defecto topológico es real en el Universo, tenemos que dejar esta idea en el ámbito de la especulación.
Envia tus preguntas sobre el universo a Ask Ethan preguntas a startswithabang en gmail dot com!
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