Bagaimana jika saya memberitahu anda bahawa alam semesta kita dibanjiri dengan beratus-ratus jenis zarah yang hampir tidak dapat dilihat dan yang lama dahulu, zarah-zarah ini membentuk rangkaian rentetan alam semesta?
Kedengarannya trippy dan menggerunkan, tetapi ia sebenarnya merupakan ramalan teori tali, percubaan terbaik (tetapi tidak mengecewakan) pada teori segala-galanya. Ini aneh, walaupun hipotesis, zarah kecil dikenali sebagai axions, dan jika mereka boleh didapati, itu bermakna kita semua hidup dalam "axiverse" yang luas.
Bahagian terbaik teori ini ialah ia bukan sekadar hipotesis kerusi fizik, tanpa kemungkinan ujian. Rangkaian tali tidak dapat dikesan ini boleh dikesan dalam masa terdekat dengan teleskop gelombang mikro yang sebenarnya sedang dibina.
Sekiranya didapati, axiverse akan memberi kita satu langkah besar dalam memikirkan teka-teki ... baik, semua fizik.
A symfony of strings
OK, mari turun ke perniagaan. Pertama, kita perlu mengenali axion sedikit lebih baik. The axion, yang dinamakan oleh ahli fizik (dan, kemudiannya, pemenang Hadiah Nobel) Frank Wilczek pada tahun 1978, mendapat namanya kerana ia hipotesis untuk wujud dari pemecahan simetri tertentu. Saya tahu, saya tahu - lebih banyak jargon. Teruskan. Fizik suka symmetries - apabila corak tertentu muncul dalam matematik.
Terdapat satu jenis simetri, dipanggil simetri CP, yang mengatakan bahawa perkara dan antimatter harus berkelakuan sama apabila koordinat mereka dibalikkan. Tetapi simetri ini nampaknya tidak sesuai dengan teori kekuatan nuklear yang kuat. Satu penyelesaian untuk teka-teki ini adalah untuk memperkenalkan simetri lain di alam semesta yang "membetulkan" untuk salah laku ini. Walau bagaimanapun, simetri baru ini hanya muncul pada tenaga yang sangat tinggi. Pada tenaga yang rendah setiap hari, simetri ini hilang, dan untuk mengambil kira itu, dan keluar muncul zarah baru - axion.
Sekarang, kita perlu beralih kepada teori rentetan, yang merupakan usaha kita (dan telah menjadi percubaan utama kita selama 50 tahun sekarang) untuk menyatukan semua daya alam, terutama graviti, dalam satu rangka teori. Ini terbukti menjadi masalah yang sangat sukar untuk diselesaikan, kerana pelbagai faktor, tidak sekurang-kurangnya itu, untuk teori string bekerja (dengan kata lain, untuk matematik bahkan mempunyai harapan untuk bekerja), kami alam semesta mesti mempunyai lebih daripada tiga dimensi ruang dan satu masa yang biasa; perlu ada dimensi ruang tambahan.
Dimensi ruang ini tidak dapat dilihat oleh mata kasar, sudah tentu; Jika tidak, kami akan melihat perkara seperti itu. Oleh itu, dimensi tambahan perlu kecil-kecil dan diringkaskan pada skala yang kecil sehingga mereka mengelakkan usaha normal untuk melihatnya.
Apa yang membuat ini sukar adalah kita tidak pasti bagaimana dimensi-dimensi tambahan ini menggerunkan diri, dan ada suatu tempat sekitar 10 ^ 200 kemungkinan cara untuk melakukannya.
Tetapi apakah pengaturan dimensi ini sepertinya mempunyai persamaan ialah kewujudan axions, yang, dalam teori rentetan, adalah zarah-zarah yang mengalir di sekitar beberapa dimensi bergulung dan terjebak.
Terlebih lagi, teori rentetan tidak meramalkan hanya satu axion tetapi berpotensi beratus-ratus jenis yang berbeza, pada pelbagai massa, termasuk axion yang mungkin muncul dalam ramalan teori kekuatan nuklear yang kuat.
Rentetan bodoh
Oleh itu, kita mempunyai banyak jenis zarah baru dengan pelbagai jenis massa. Hebat! Bolehkah paksi membentuk masalah gelap, yang nampaknya bertanggungjawab untuk memberikan galaksi yang paling besar tetapi mereka tidak dapat dikesan oleh teleskop biasa? Mungkin; itu soalan terbuka. Tetapi masalah-masalah yang dihadapi perlu menghadapi ujian pemerhatian yang mencabar, jadi sesetengah penyelidik bukannya memberi tumpuan kepada hujung keluarga yang lebih ringan, mencari jalan untuk mencari mereka.
Dan apabila para penyelidik mula menggali tingkah laku yang diramalkan mengenai pelepasan kelas bulu di alam semesta awal, mereka mendapati sesuatu yang benar-benar luar biasa. Pada saat-saat awal sejarah kosmos kita, alam semesta melewati peralihan fasa, mengubah seluruh wataknya dari negara-negara yang eksotik, tinggi tenaga kepada keadaan tenaga rendah yang biasa.
Semasa salah satu peralihan fasa ini (yang berlaku ketika alam semesta kurang dari satu tahun yang kedua), teori tali rentas tidak muncul sebagai zarah. Sebaliknya, mereka kelihatan seperti gelung dan garisan - jejaring ringan, tali yang hampir tidak dapat dilihat menyeberangi kosmos.
Gagasan hipotetikal ini, yang dipenuhi pelbagai rentetan axion ringan, tidak diramalkan oleh teori fizik lain tetapi teori rentetan. Oleh itu, jika kita menentukan bahawa kita hidup dalam klausa, ia akan menjadi rahmat utama untuk teori rentetan.
Peralihan dalam cahaya
Bagaimanakah kita boleh mencari rentetan axion ini? Model meramalkan bahawa tali axion mempunyai jisim yang sangat rendah, jadi cahaya tidak akan bertemu dengan axion dan bengkok, atau axions mungkin tidak akan bergaul dengan zarah lain. Mungkin berjuta-juta tali axion terapung melalui Bima Sakti sekarang, dan kami tidak akan melihatnya.
Tetapi alam semesta adalah tua dan besar, dan kita boleh menggunakannya untuk kelebihan kita, terutamanya apabila kita menyedari bahawa alam semesta juga bersifat backlit.
Latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB) adalah cahaya tertua di alam semesta, yang dipancarkan ketika ia hanya bayi - kira-kira 380,000 tahun. Cahaya ini telah menyerap alam semesta untuk semua berbilion tahun ini, menyaring kosmos sehingga akhirnya memukul sesuatu, seperti teleskop gelombang mikro kami.
Oleh itu, apabila kita melihat CMB, kita melihatnya melalui berbilion-bilion cahaya bintang alam semesta. Ia seperti melihat cahaya lampu suluh melalui siri sarang labah-labah: Jika ada rangkaian tali axion yang diulirkan melalui kosmos, kita berpotensi dapat melihatnya.
Dalam satu kajian baru-baru ini, yang diterbitkan dalam pangkalan data arXiv pada 5 Disember, tiga penyelidik mengira kesan yang akan berlaku pada cahaya CMB. Mereka mendapati bahawa, bergantung kepada bagaimana sedikit cahaya berlalu berhampiran rentetan axion tertentu, polarisasi cahaya itu boleh beralih. Itu kerana cahaya CMB (dan semua cahaya) diperbuat daripada gelombang medan elektrik dan magnet, dan polarisasi cahaya memberitahu kita bagaimana medan elektrik berorientasikan - sesuatu yang berubah apabila cahaya CMB menemui axion. Kita boleh mengukur polarisasi cahaya CMB dengan melewati isyarat melalui penapis khusus, yang membolehkan kita memilih kesan ini.
Para penyelidik mendapati bahawa jumlah kesan pada CMB dari semesta penuh string memperkenalkan peralihan polarisasi berjumlah sekitar 1%, yang terletak di ambang apa yang boleh kita dapati hari ini. Tetapi pemetaan CMB masa depan, seperti satelit Explorer Lite (Cahaya) untuk kajian polarisasi B-mod dan Inflasi dari Pengesanan Sinaran latar belakang kosmik (LiteBIRD), dan Penjelajahan Inflasi Primordial (PIXIE) yang sedang dirancang. Teleskop futuristik ini akan dapat menghidupkan aksen. Dan apabila para pemetaan datang dalam talian, kita akan mendapati bahawa kita hidup dalam klausa atau mengetepikan ramalan khusus teori rentetan ini.
Sama ada, ada banyak yang perlu dilepaskan.
Paul M. Sutter adalah ahli astrofizik diThe Ohio State University, tuan rumahTanya Spaceman danRadio Angkasa, dan pengarangTempat Anda di Semesta.
