Ами ако ви кажа, че нашата Вселена е била залята със стотици почти невидими частици и че отдавна тези частици образуват мрежа от обхващащи вселената струни?
Звучи едновременно тропично и страхотно, но всъщност е предсказване на теорията на струните, най-добрият ни (но разочароващо непълен) опит за теория на всичко. Тези причудливи, макар и хипотетични, малки частици са известни като аксиони и ако те могат да бъдат намерени, това би означавало, че всички живеем в огромна „осма“.
Най-добрата част от тази теория е, че това не е просто някаква хипотеза за креслото на физика, без възможност за тестване. Тази непонятно огромна мрежа от струни може да бъде открита в близко бъдеще с микровълнови телескопи, които всъщност се изграждат.
Ако бъде открита, осевата ос ще ни даде основна стъпка в изясняването на пъзела от ... е, цялата физика.
Симфония на струни
Добре, нека да се пристъпим към бизнеса. Първо, трябва да опознаем аксиона малко по-добре. Асионът, наречен от физика (а по-късно и Нобелов лауреат) Франк Уилчек през 1978 г., получава името си, защото е хипотезиран да съществува от определен вид нарушаване на симетрията. Знам, знам - повече жаргон. Дръжте се. Физиците обичат симетриите - когато в математиката се появяват определени модели.
Има един вид симетрия, наречена CP симетрия, която казва, че материята и антиматерията трябва да се държат еднакво, когато техните координати са обърнати. Но тази симетрия изглежда не се вписва естествено в теорията за силната ядрена сила. Едно от решенията на този пъзел е въвеждането на друга симетрия във Вселената, която "поправя" това неправилно поведение. Тази нова симетрия обаче се появява само при изключително високи енергии. При всекидневни ниски енергии тази симетрия изчезва и за сметка на това и изскача нова частица - аксионът.
Сега трябва да се обърнем към теорията на струните, което е нашият опит (и това е основният ни опит от 50-годишни години) да обединим всички сили на природата, особено гравитацията, в единна теоретична рамка. Доказано е, че е особено трънлив проблем, който трябва да се реши, поради различни фактори, не най-малкото от които е, че за да работи теорията на струните (с други думи, математиката да има дори надежда за разработване), Вселената трябва да има повече от обичайните три измерения на пространството и едно време; трябва да има допълнителни пространствени измерения.
Тези пространствени измерения не се виждат с просто око; в противен случай щяхме да забележим такова нещо. Така че допълнителните размери трябва да са мънички и да се извиват върху себе си в толкова малки мащаби, че да избягват нормалните усилия, за да ги забележат.
Това, което прави това трудно, е, че не сме точно сигурни как тези допълнителни измерения се извиват върху себе си и има някъде около 10 ^ 200 възможни начина да го направите.
Но това, което изглежда, че те имат общо, е наличието на аксиони, които в теорията на струните са частици, които се навиват около някои от извитите размери и се забиват.
Нещо повече, теорията на струните не предвижда само един аксион, а потенциално стотици различни видове, при различни маси, включително аксиона, който може да се появи в теоретичните прогнози на силната ядрена сила.
Глупави струни
Така че, имаме много нови видове частици с всякакви маси. Страхотен! Възможно ли е аксионите да съставят тъмна материя, която изглежда е отговорна за отдаване на галактики по-голямата част от масата им, но не може да бъде открита от обикновените телескопи? Може би; това е отворен въпрос. Но аксионите като тъмна материя трябва да се изправят пред предизвикателни наблюдателни тестове, така че някои изследователи вместо това се съсредоточават върху по-лекия край на семействата на аксионите, изследвайки начините за тяхното намиране.
И когато тези изследователи започнат да копаят в предвиденото поведение на тези оси в ранна Вселена, те откриват нещо наистина забележително. В най-ранните моменти от историята на нашия Космос Вселената премина през фазови преходи, променяйки целия си характер от екзотични, високоенергийни състояния в редовни нискоенергийни състояния.
По време на един от тези фазови преходи (който се случи, когато Вселената беше на по-малко от секунда), аксионите на теорията на струните не изглеждаха като частици. Вместо това те приличаха на бримки и линии - мрежа от леки, почти невидими струни, пресичащи космоса.
Този хипотетичен аксивер, изпълнен с различни леки аксионни струни, не се предвижда от друга теория на физиката, освен теория на струните. Така че, ако определим, че живеем в аксивер, това би било основна полза за теорията на струните.
Промяна в светлината
Как можем да търсим тези низове на аксиона? Моделите предвиждат, че низовете на аксиона имат много ниска маса, така че светлината няма да нападне в аксион и да се огъне, или аксионите вероятно не биха се смесили с други частици. Можеше да има милиони аксионни струни, които плават през Млечния път в момента, а ние не бихме ги виждали.
Но Вселената е стара и голяма и можем да използваме това в наша полза, особено след като признаем, че Вселената също е с подсветка.
Космическият микровълнов фон (CMB) е най-старата светлина във Вселената, излъчвана, когато е била само бебе - на около 380 000 години. Тази светлина напоява вселената през всичките тези милиарди години, филтрирайки се в Космоса, докато накрая удари нещо, като нашите микровълнови телескопи.
И така, когато погледнем CMB, ние го виждаме във вселената на милиарди светлинни години. Това е все едно да погледнем сиянието на фенерчето през поредица от паяжини: Ако има мрежа от нишки от аксиони, пробити през Космоса, потенциално бихме могли да ги забележим.
В скорошно проучване, публикувано в базата данни на arXiv на 5 декември, тройка изследователи изчислиха ефекта, който осевата ос би имала върху CMB светлината. Те откриха, че в зависимост от това как малко светлина преминава близо до определен низ от аксиона, поляризацията на тази светлина може да се измести. Това е така, защото светлината CMB (и цялата светлина) е направена от вълни от електрически и магнитни полета, а поляризацията на светлината ни казва как се ориентират електрическите полета - нещо, което се променя, когато CMB светлината срещне аксион. Можем да измерим поляризацията на CMB светлината, като предаваме сигнала през специализирани филтри, което ни позволява да изберем този ефект.
Изследователите откриха, че общият ефект върху CMB от вселена, пълна с струни, доведе до изместване на поляризацията в размер на около 1%, което е точно на прага на това, което можем да открием днес. Но бъдещите CMB картографи, като например Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) сателит за проучвания на поляризация в B-режим и инфлация от космическия фон радиационно разпознаване (LiteBIRD) и изследовател на първоначалната инфлация (PIXIE), в момента се проектират. Тези футуристични телескопи биха били в състояние да издушат една ос. И след като тези картографи дойдат онлайн, или ще открием, че живеем в аксивер, или ще изключим това конкретно предсказване на теорията на струните.
Така или иначе, има много неща за разплитане.
Пол М. Сътър е астрофизик вДържавният университет в Охайо, домакин наПопитайте Космонавт иКосмическо радиои автор наВашето място във Вселената.
