Ткань пространства-времени — довольно сложная для понимания концепция. Благодаря эйнштейновской общей теории относительности мы можем за неё взяться.

Важнейшим уроком ОТО Эйнштейна является тот факт, что пространство — не плоская, неизменная, абсолютная сущность. Она соткана вместе со временем в единую ткань: пространство-время. Ткань эта непрерывная, гладкая, она изгибается и деформируется в присутствии материи и энергии. Всё, что существует в пространстве-времени, двигается вдоль путей, определяемых её кривизной, и это движение ограничено скоростью света. Но что, если в этой ткани появятся дефекты? Это не научная фантастика, а реальная идея в теоретической физике, и на этой неделе наш читатель задаёт вопрос по ней:

Я бы хотел предложить такую тему для обсуждения, как реликты высоких энергий — стены доменов, космические струны, монополи и так далее. Было бы интересно почитать по поводу того, что собой представляют подобные дефекты, откуда берутся, какие свойства у них могут быть, и, что для меня самое интересное, как они могут выглядеть и взаимодействовать с «обычной» вселенной.

Оказывается, что математически очень легко получить дефектную Вселенную.


Гравитационное поведение Земли вокруг Солнца происходит не благодаря невидимому гравитационному притяжению — его лучше описать так, будто Земля свободно падает в искривлённом пространстве, где главную роль играет Солнце. Но и в данном случае кривизна пространства будет довольно малой, и никаких дефектов в нём не будет.

Представьте себе пространство. Как оно выглядит? Представляете ли вы себе пустое, гладкое, однородное пространство? Кажется ли вам, что единственные отклонения от этой картины будут происходит благодаря массам и квантам энергии? Это неплохой подход, обычно используемый физиками. На самых крупных масштабах оно должно представлять собой трёхмерную решётку, с небольшими отклонениями в виде участков с малой пространственной кривизной, создающей хорошо знакомую нам силу гравитации. В таком виде пространство будет находиться в состоянии с наименьшей энергией.


Ткань пространства-времени, с рябью и деформациями, вызываемыми массой. Но, насколько мы знаем, пространство никогда не складывается и не сворачивается

Что насчёт возбуждённых состояний? Что насчёт других состояний? Для простоты устраним два пространственных измерения и оставим только одно: прямую. Прямая может быть прямой, открытой и бесконечной, или же она может быть закрытой, как петля. Оба эти варианта представляют прямую в состоянии с минимальной энергией. Как будет выглядеть состояние с более высокой энергией? Возьмём нашу прямую и сделаем её гибкой, как нить. Теперь представьте, что мы завязали на ней узел — сделать петлю, положить крест-накрест и потянуть. Нить без узлов обозначает одномерное пространство в состоянии с минимальной энергией; нить с одним узлом обозначает одномерное пространство в первом возбуждённом состоянии. Этот узел — нольмерный топологический дефект


Узел, завязанный на нити, является аналогом нольмерного дефекта одномерной прямой. Узел, зеркальный этому, при столкновении может привести к исчезновению их обоих и восстановлению уровня с минимальной энергией

А теперь с прямой, содержащей узлы, можно сделать кое-что интересное. Можно завязать точно такой же узел, и у вас будут два топологических дефекта, суммирующих своё воздействие. Но если завязать узел в обратном направлении — зеркальный, получится узел, топологически противоположный первоначальному. Если свести два этих узла вместе, вы обнаружите, что они могут взаимно развязать друг друга, что приведёт вас обратно к состоянию с минимальной энергией.

У этих двух типов нольмерных дефектов — узел и антиузел — есть физические аналоги в нашей Вселенной: магнитные монополи. Узел соответствует изолированному северному магнитному полюсу; антиузел соответствует изолированному южному магнитному полюсу. Если свести их вместе, они аннигилируют, как материя и антиматерия, и вернут ткань пространства-времени в состояние с минимальной энергией. Поскольку монополи — точечные частицы, они вели бы себя, как обычная материя, не сильно отличаясь от электрических монополей (положительного и отрицательного электрических зарядов), существующих в нашей Вселенной.


Концепция магнитного монополя, испускающего линии магнитного поля сходным образом с тем, как изолированный электрический заряд испускает линии электрического поля

Теперь вернёмся к нашей трёхмерной Вселенной. Вы можете представить не только точечные дефекты, но и дефекты с большим числом измерений:

• Космические струны: одномерная прямая проходит через всю наблюдаемую Вселенную.
• Стены доменов: двумерная плоскость с нерегулярными свойствами проходит через всю Вселенную.
• Космические структуры: участок трёхмерного пространства «завязывается в узел».

Итак, среди возможных дефектов у нас есть монополь (0-D), струна (1-D), стена (2-D), и текстура (3-D), и все они появляются в результате работы разных механизмов, но принадлежащих одному классу: они появляются, когда нарушается симметрия.


Отличия между Вселенной, созданной в рамках стандартной космологии (слева) и той, что появилась с развитой сетью топологических дефектов (справа) приводят к появлению совершенно различных крупномасштабных структур. Наши наблюдения достаточно уверенно отметают космические струны и стены доменов как доминирующие компоненты современной Вселенной

Нарушение симметрии для физики — дело серьёзное. Все существующие симметрии соответствуют сохраняющимся величинам, поэтому при нарушении симметрии закон сохранения этой величины перестаёт работать. Монополи можно получить, сломав сферическую симметрию; струны — сломав осевую или цилиндрическую симметрию; стены доменов — сломав дискретную симметрию (чётность или зеркальное отражение). Дефекты другого рода понять сложнее, но они часто встречаются при работе с дополнительными измерениями. Однако первые три из перечисленных — монополи, космические струны и стены доменов — особенно интересны для космологии.


Идея объединения утверждает, что все три взаимодействия Стандартной Модели, и, возможно, даже гравитация, на высоких энергиях объединяются на единой платформе

Вы знаем, что кроме Стандартной Модели должно быть ещё что-то, и у неё существует множество расширений, последствия которых могут быть весьма впечатляющими. Одно из них — идея Великого Объединения, по которой электромагнитное, слабое и сильное ядерное взаимодействия объединяются на какой-то высокой энергии. Это привело бы не только к наличию новых частиц и взаимодействий, но и появлению магнитных монополей в момент слома симметрии, удерживающей сильное взаимодействие вместе с двумя другими. Отсутствие магнитных монополей в наблюдаемой Вселенной часто представляют как доказательство космической инфляции, а в качестве дополнительного доказательства приводят тот факт, что Вселенная по окончанию инфляции не разогревается достаточно сильно для того, чтобы восстановить симметрию Великого Объединения.


Если восстанавливающее симметрию Великое Объединение было сломано, должно было появиться огромное количество магнитных монополей. Но наша Вселенная нам их не предоставляет; если космическая инфляция произошла после этого нарушения симметрии, то в наблюдаемой Вселенной может присутствовать не более одного магнитного монополя.

Космические струны и стены доменов (если они существуют) должны были появиться при фазовых переходов вскоре после окончания инфляции. Могут существовать дополнительные симметрии на высоких уровнях энергии, восстанавливающиеся в ранние моменты жизни Вселенной, и во время их разрушения могут появляться описанные дефекты. Космические струны и стены доменов — единичные или целые сети — оставили бы признаки своего присутствия в крупномасштабных структурах Вселенной, текстуры были бы видны в реликтовом излучении, а магнитные монополи — в прямых экспериментах по их обнаружению. Некоторые физики иронически указывают на единственный магнитный монополь, обнаруженный в День св. Валентина в 1982 году в качестве свидетельства космической инфляции: во Вселенной есть всего один монополь, и мы его видели!


В 1982 году эксперимент под руководством Бласа Кабреры со скрученным в восемь петель проводом обнаружил изменение потока в восемь магнетонов: свидетельство наличия магнитного монополя. К сожалению, в лаборатории в момент обнаружения никого не было, и никому ещё не удалось воспроизвести результат или найти второй монополь.

И если монополи вели бы себя, как обычная материя, то космические струны, стены доменов или космологические текстуры крайне активно влияли бы на расширение Вселенной. Космические струны вели бы себя как кривизна пространства, ограниченная величиной в 0,4% от общей плотности энергии, а стены доменов создали бы разновидность тёмной энергии, ускоряющей Вселенную — но это было бы слишком слабое ускорение, которое не объяснило бы видимые нами процессы. Влияние космологических текстур было бы сравнимо с влиянием космологической константы, но чтобы объяснить все имеющиеся наблюдения, нужно было бы принять, что вся наблюдаемая Вселенная находится внутри одного-единственного дефекта!


Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и время, в которое они могли бы преобладать. Если бы существовало достаточное количество космических струн или стен доменов, они бы внесли значительный вклад в расширение Вселенной

Если и существуют монополи, струны, стены, текстуры, то они должны быть чрезвычайно тяжёлыми. Монополи должны быть самыми массивными из всех открытых частиц — примерно в 10¹⁴ раз массивнее верхнего кварка. Струны, стены и текстуры должны были бы играть роль зародышей крупномасштабных структур, стягивая материю в период, предшествующий формированию любых других структур, и создавая весьма очевидные следы присутствия, учитывая сегодняшние возможности телескопов, наблюдений и данных по реликтовому излучению. Современные ограничения говорит о том, что таких структур в больших количествах не существует, и их может существовать не более, чем несколько процентов от общего космического энергетического бюджета.


Наше реликтовое излучение и спектр его флуктуаций указывает на инвариантность к масштабу, в то время как сеть космических струн дала бы очень крутой подъём в левой части графика

На сегодня нет никаких доказательств наличия дефектов Вселенной, исключая единственное наблюдение магнитного монополя, сделанное 35 лет назад. И хотя мы не можем опровергнуть их существование (мы можем только наложить на них ограничения), нам нужно быть готовыми к возможности того, что эти топологические эффекты не запретят, и что многие расширения Стандартной Модели будут неизбежно влечь их за собой. Во многих сценариях их отсутствие объясняется тем, что их подавляет что-то ещё. Отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия, но пока мы не увидим что-нибудь ещё, что указывает на реальность топологических дефектов Вселенной, нам придётся оставить эту идею в области теорий.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .