Co kdybych vám řekl, že náš vesmír byl zaplaven stovkami druhů téměř neviditelných částic a že tyto částice dávno tvořily síť řetězců rozpínajících vesmír?
Zní to jak trippy a úžasné, ale ve skutečnosti je to predikce strunové teorie, náš nejlepší (ale frustrující neúplný) pokus o teorii všeho. Tyto bizarní, i když hypotetické, malé částice jsou známé jako axiony, a pokud je lze nalézt, znamenalo by to, že všichni žijeme v obrovském „axiverse“.
Nejlepší část této teorie je, že nejde pouze o hypotézu křesla fyzika, bez možnosti testování. Tato nepochopitelně velká síť řetězců může být v blízké budoucnosti detekovatelná pomocí mikrovlnných dalekohledů, které jsou ve skutečnosti budovány.
Pokud by se našel, Axiverse by nám udělal velký krok v tom, aby zjistil hádanku ... no, veškerou fyziku.
Symfonie strun
Dobře, pojďme začít podnikat. Nejprve je třeba lépe poznat axion. Axion, pojmenovaný fyzikem (a později laureátem Nobelovy ceny) Frankem Wilczkem v roce 1978, dostal své jméno, protože se předpokládá, že existuje z jistého druhu prolomení symetrie. Vím, vím - více žargonu. Vydrž. Fyzici milují symetrii - když se v matematice objeví určité vzorce.
Existuje jeden druh symetrie, nazývaný CP symetrie, který říká, že hmota a antihmota by se měly chovat stejně, když jsou jejich souřadnice obráceny. Nezdá se však, že by tato symetrie přirozeně zapadla do teorie silné jaderné síly. Jedním z řešení této hádanky je představit ve vesmíru další symetrii, která „koriguje“ toto chování. Tato nová symetrie se však objevuje pouze při extrémně vysokých energiích. Při každodenních nízkých energiích tato symetrie zmizí, a za to se musí vysvětlit a vyjde nová částice - axion.
Nyní se musíme obrátit na strunovou teorii, což je náš pokus (a byl to náš hlavní pokus již 50 let), sjednotit všechny přírodní síly, zejména gravitaci, do jediného teoretického rámce. Ukázalo se, že je to obzvláště trnitý problém, který je třeba řešit v důsledku mnoha faktorů, v neposlední řadě je to, že pro práci s teorií strun (jinými slovy, pro matematiku, která má dokonce naději na vypracování), naše vesmír musí mít více než obvyklé tři dimenze prostoru a čas; musí existovat zvláštní prostorové rozměry.
Tyto prostorové rozměry nejsou pouhým okem samozřejmě vidět; jinak bychom si toho druhu všimli. Takže další dimenze musí být teensy malé a stočené na sebe v měřítcích tak malých, že se vyhýbají běžným snahám je spatřit.
To ztěžuje to, že si nejsme úplně jisti, jak se tyto nadměrné rozměry kroutí na sebe, a existuje asi 10 až 200 možných způsobů, jak to udělat.
Zdá se však, že tato rozměrová uspořádání mají společné, je existence axionů, což jsou podle teorie strun částice, které se navíjejí kolem některých zvlněných dimenzí a uvíznou.
A co víc, strunová teorie nepředpovídá jen jednu axion, ale potenciálně stovky různých druhů, na různých masách, včetně axionu, který by se mohl objevit v teoretických předpovědích silné jaderné síly.
Hloupé struny
Máme spoustu nových druhů částic se všemi druhy hmot. Skvělý! Mohou axie tvořit temnou hmotu, která se zdá být odpovědná za to, že dává galaxiím většinu své hmotnosti, ale nelze je detekovat běžnými dalekohledy? Možná; je to otevřená otázka. Ale axiony jako temná hmota musí čelit náročným pozorovacím testům, takže někteří vědci se místo toho zaměřují na světlejší konec rodin axionů a zkoumají způsoby, jak je najít.
A když tito vědci začnou kopat do předpovídaného chování těchto peřích váček v ranném vesmíru, najdou něco opravdu pozoruhodného. V nejranějších okamžicích historie našeho vesmíru prošel vesmír fázovými přechody a změnil celý svůj charakter z exotických vysokoenergetických stavů na normální nízkoenergetické stavy.
Během jedné z těchto fázových přechodů (ke kterým došlo, když byl vesmír méně než druhý starý) se axiony teorie strun neobjevily jako částice. Místo toho vypadali jako smyčky a linie - síť lehkých, téměř neviditelných řetězců, které křižují vesmírem.
Tato hypotetická axiverse, naplněná řadou lehkých řetězců axionů, nepředpovídá žádná jiná teorie fyziky, ale teorie strun. Pokud tedy zjistíme, že žijeme v axiverse, znamenalo by to velkou výhodu pro teorii strun.
Posun světla
Jak můžeme vyhledat tyto axionové řetězce? Modely předpovídají, že řetězce axionů mají velmi nízkou hmotnost, takže světlo se nedostane do axionu a neohne se, nebo se axiony pravděpodobně nebudou mísit s jinými částicemi. Mléčnou dráhou by teď mohly vznášet miliony řetězců axionů a my bychom je neviděli.
Vesmír je ale starý a velký, a můžeme ho využít k naší výhodě, zejména jakmile zjistíme, že vesmír je také podsvícený.
Kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) je nejstarší světlo ve vesmíru, vyzařované, když to bylo jen dítě - asi 380 000 let staré. Toto světlo nasáklo vesmír po všechny tyto miliardy let a filtrovalo se vesmírem, až konečně zasáhlo něco jako naše mikrovlnné dalekohledy.
Když se podíváme na CMB, vidíme to prostřednictvím vesmíru v hodnotě miliard světelných let. Je to jako dívat se na záři svítilny řadou pavučin: Pokud existuje vesmír axionových řetězců protažených vesmírem, mohli bychom je potenciálně spatřit.
V nedávné studii, zveřejněné v databázi arXiv 5. prosince, vypočítalo trojice vědců vliv, jaký by axiverse měl na světlo CMB. Zjistili, že v závislosti na tom, jak trochu světla prochází poblíž určitého řetězce axionů, se může polarizace tohoto světla posunout. Je to proto, že světlo CMB (a veškeré světlo) je tvořeno vlnami elektrických a magnetických polí a polarizace světla nám říká, jak jsou elektrická pole orientována - něco, co se mění, když se světlo CMB setká s axionem. Můžeme změřit polarizaci světla CMB průchodem signálu přes specializované filtry, což nám umožňuje tento efekt vybrat.
Vědci zjistili, že celkový účinek na CMB z vesmíru plného řetězců přinesl posun polarizace ve výši asi 1%, což je přesně na pokraji toho, co můžeme dnes detekovat. V současné době se však připravují budoucí mapovače CMB, jako je Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) satelit pro studium polarizace a inflace v režimu B z detekce kosmického záření (LiteBIRD) a Primordial Inflation Explorer (PIXIE). Tyto futuristické dalekohledy by dokázaly vyčenichat z osy. A jakmile se tito mapovači připojí k internetu, buď zjistíme, že žijeme v axiverse, nebo vyloučíme tuto konkrétní předpověď teorie řetězců.
Ať tak či onak, je zde spousta věcí, které lze rozmotat.
Paul M. Sutter je astrofyzik naStátní univerzita v Ohiu, hostitelZeptejte se Spacemana aVesmírné rádio, a autorVaše místo ve vesmíru.
