Što ako vam kažem da je naš svemir preplavljen stotinama vrsta gotovo nevidljivih čestica i da su te čestice odavno formirale mrežu nizova koji se protežu u svemiru?
Zvuči i škakljivo i fenomenalno, ali zapravo je predviđanje teorije struna, naš najbolji (ali frustrirajuće nepotpuni) pokušaj teorije svega. Ove bizarne, iako hipotetičke, male čestice poznate su kao aksije, a ako ih se može naći, to bi značilo da svi živimo u golemoj „axiverse“.
Najbolji dio ove teorije je da nije samo hipoteza o fotelji fizičara, bez mogućnosti testiranja. Ova nerazumljivo ogromna mreža žica se u bliskoj budućnosti može otkriti pomoću mikrovalnih teleskopa koji se zapravo grade.
Da se nađe, osiver bi nam donio veliki korak u promišljanju slagalice ... pa, sve fizike.
Simfonija gudača
OK, krenimo na posao. Prvo moramo malo bolje upoznati osovinu. Aksija, koju je 1978. godine nazvao fizičar (a kasnije i nobelovac) Frank Wilczek, dobila je ime po tome što pretpostavlja da postoji zbog određene vrste probijanja simetrije. Znam, znam - više žargona. Drži se. Fizičari vole simetrije - kada se u matematici pojave određeni obrasci.
Postoji jedna vrsta simetrije, koja se naziva CP simetrija, koja kaže da bi se materija i antimaterija trebali ponašati isto kada im se koordinate obrnu. No čini se da se ta simetrija prirodno ne uklapa u teoriju jake nuklearne sile. Jedno rješenje ove zagonetke je uvođenje druge simetrije u svemir koja "ispravlja" za ovo loše ponašanje. Međutim, ova se nova simetrija pojavljuje samo kod izuzetno velikih energija. Pri svakodnevnim niskim energijama ta simetrija nestaje, i to je potrebno računati i iz nje se pojavljuje nova čestica - aksija.
Sada se moramo okrenuti teoriji struna, što je naš pokušaj (i to je bio naš glavni pokušaj već 50 godina) da ujedinimo sve prirodne sile, posebno gravitaciju, u jedan teorijski okvir. Dokazano je da je posebno težak problem koji treba riješiti, zbog različitih faktora, od kojih nije najmanje važno, da bi teorija struna funkcionirala (drugim riječima, da matematika čak ima nade da će je razraditi), naš svemir mora imati više od uobičajene tri dimenzije prostora i jedne vremena; moraju postojati dodatne prostorne dimenzije.
Te prostorne dimenzije, naravno, nisu vidljive golim okom; u suprotnom, primijetili bismo takve stvari. Dakle, dodatne dimenzije moraju biti sitne i sitne na sebi na tako malim ljestvicama da izbjegavaju uobičajene napore da ih opaze.
Ono što čini ovo teško je što nismo baš sigurni kako se te dodatne dimenzije smanjuju na sebi, a postoji negdje oko 10 ^ 200 mogućih načina da to učinite.
No, čini se da zajedničko ovim dimenzionalnim aranžmanima postoji postojanje aksiona koje su, u teoriji struna, čestice koje se namataju oko nekih uvijenih dimenzija i zaglave se.
Nadalje, teorija struna ne predviđa samo jednu akciju, već potencijalno stotine različitih vrsta, pri raznim masama, uključujući i aksionu koja bi se mogla pojaviti u teorijskim predviđanjima jake nuklearne sile.
Glupe žice
Dakle, imamo puno novih vrsta čestica sa svim vrstama masa. Sjajno! Mogu li aksije činiti tamnu materiju, koja je, čini se, odgovorna za davanje galaksija većim dijelom svoje mase, ali ne mogu ih otkriti obični teleskopi? Možda; to je otvoreno pitanje. No, sjekire kao tamna tvar moraju se suočiti s nekim zahtjevnim promatračkim testovima, pa se neki istraživači umjesto toga usredotočuju na lakši kraj porodica aksonija, istražujući načine kako ih pronaći.
A kad ti istraživači počnu kopati po predviđenom ponašanju tih lakih sjekira u ranom svemiru, pronalaze nešto zaista izvanredno. U najranijim trenucima povijesti našeg kozmosa, svemir je prolazio faznim prijelazima, mijenjajući cijeli svoj karakter iz egzotičnih, visokoenergetskih stanja u redovita niskoenergetska stanja.
Tijekom jednog od tih faznih prijelaza (koji se dogodio kada je svemir bio star manje od sekunde), aksije teorije struna nisu se pojavljivale kao čestice. Umjesto toga, izgledali su poput petlji i linija - mreža laganih, gotovo nevidljivih struna koji su prelazili u svemir.
Ovu hipotetičku osi, ispunjenu raznim laganim strujama osovine, ne predviđa nijedna druga teorija fizike, već teorija struna. Dakle, ako utvrdimo da živimo u osi, to bi bila velika prednost za teoriju struna.
Pomak u svjetlu
Kako možemo tražiti ove žice aksona? Modeli predviđaju da žljebovi aksiona imaju vrlo malu masu, tako da se svjetlost neće naletjeti na aksionu i saviti, ili se akcije vjerojatno ne bi stapale s drugim česticama. Moglo bi biti milijuna žica s osovinama koje prolaze upravo kroz Mliječni put, a mi ih ne bismo vidjeli.
Ali svemir je star i velik, i to možemo iskoristiti u našu korist, posebno nakon što prepoznamo da je i svemir sa pozadinskim osvjetljenjem.
Kozmička mikrovalna pozadina (CMB) najstarija je svjetlost u svemiru, emitirana kad je bila tek beba - stara oko 380.000 godina. Ta je svjetlost natapala svemir svih ovih milijardi godina, filtrirajući se kroz svemir dok konačno ne pogodi nešto, poput naših mikrovalovnih teleskopa.
Dakle, kad pogledamo CMB, vidimo ga kroz svemir vrijedan milijardi svjetlosnih godina. To je poput gledanja sjaja svjetiljke kroz niz pajdaša: Ako postoji mreža akionskih žica navučenih kroz kosmos, potencijalno bismo ih mogli uočiti.
U nedavnoj studiji, objavljenoj u arXiv bazi podataka 5. prosinca, trojica istraživača izračunali su učinak koji bi osovina imala na CMB svjetlost. Otkrili su da se polarizacija te svjetlosti može mijenjati, ovisno o tome kako malo svjetlosti prolazi u blizini određenog aksonskog niza. To je zato što je CMB svjetlost (i sva svjetlost) načinjena od valova električnog i magnetskog polja, a polarizacija svjetlosti govori nam o tome kako su električna polja orijentirana - nešto što se mijenja kada CMB svjetlost naiđe na aksionu. Možemo izmjeriti polarizaciju CMB svjetlosti tako što ćemo signal proslijediti kroz specijalizirane filtre, što nam omogućava da odaberemo ovaj efekt.
Istraživači su otkrili da je ukupni učinak na CMB iz svemira punog struna uveo polarizaciju u iznosu od oko 1%, što je točno na rubu onoga što danas možemo otkriti. Ali budući projektanti CMB-a, kao što su Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) sateliti za studije polarizacije B-načina i inflacije iz kozmičke pozadinske detekcije zračenja (LiteBIRD) i Primordial Explorer (PIXIE), trenutno se dizajniraju. Ovi futuristički teleskopi mogli bi njuškati osovinu. A jednom kad se ovi mapperi pojave na mreži, ili ćemo otkriti da živimo u osi ili ćemo isključiti ta posebna predviđanja teorije struna.
Bilo kako bilo, postoji mnogo toga za razdvajanje.
Paul M. Sutter je astrofizičar naDržavno sveučilište Ohio, domaćinPitajte svemira iSvemirski radio, i autorVaše mjesto u svemiru.
