Universet kan blive oversvømmet med et spindelvevnetværk af usynlige strenge

Hvad hvis jeg fortalte dig, at vores univers blev oversvømmet med hundreder af slags næsten usynlige partikler, og at disse partikler for længe siden dannede et netværk af univers-spændende strenge? 

Det lyder både trippy og awesome, men det er faktisk en forudsigelse af strengteori, vores bedste (men frustrerende ufuldstændige) forsøg på en teori om alt. Disse bisarre, omend hypotetiske, små partikler er kendt som aksioner, og hvis de kan findes, ville det betyde, at vi alle lever i en enorm "aksiverse."

Den bedste del af denne teori er, at det ikke kun er en fysikers lænestolhypotese, uden mulighed for testning. Dette uforståeligt enorme netværk af strenge kan detekteres i den nærmeste fremtid med mikrobølgeteleskoper, der faktisk er ved at blive bygget. 

Relaterede: De største uløste mysterier i fysik

Hvis det blev fundet, ville aksiversen give os et stort skridt op til at finde ud af puslespillet om… ja, alt fysik.

En symfoni af strenge

OK, lad os komme i gang. For det første skal vi lære lidt bedre at kende. Aksien, navngivet af fysiker (og senere nobelprisvinder) Frank Wilczek i 1978, får sit navn, fordi den antages at eksistere fra en bestemt form for symmetri-breaking. Jeg ved, jeg ved - mere jargon. Hold fast. Fysikere elsker symmetrier - når visse mønstre vises i matematik. 

Der er en slags symmetri, kaldet CP-symmetrien, der siger, at stof og antimaterie skal opføre sig det samme, når deres koordinater vendes. Men denne symmetri ser ikke ud til at passe naturligt ind i teorien om den stærke atomkraft. En løsning på dette puslespil er at introducere en anden symmetri i universet, der "korrigerer" for denne dårlige opførsel. Denne nye symmetri vises dog kun ved ekstremt høje energier. Ved hverdagens lave energi forsvinder denne symmetri og for at redegøre for det, og dukker en ny partikel ud - aksionen.

Nu skal vi henvende os til strengteori, som er vores forsøg (og har været vores vigtigste forsøg i 50-ulige år nu) for at forene alle naturens kræfter, især tyngdekraften, i en enkelt teoretisk ramme. Det har vist sig at være et særdeles torneret problem at løse, på grund af en række faktorer, ikke mindst hvoraf det er, at strengteorien fungerer (med andre ord, at matematikken endda har et håb om at træne), univers skal have mere end de sædvanlige tre dimensioner af rummet og en af ​​tid; der skal være ekstra rumlige dimensioner.

Disse rumlige dimensioner er naturligvis ikke synlige for det blotte øje; Ellers ville vi have bemærket den slags ting. Så de ekstra dimensioner skal være teensy-lille og krøllet op på sig selv i skalaer så små, at de undgår normal indsats for at få øje på dem.

Det, der gør dette svært, er, at vi ikke er helt sikre på, hvordan disse ekstra dimensioner krøller sig sammen, og der er et sted omkring 10 ^ 200 mulige måder at gøre det på.

Men hvad disse dimensionelle arrangementer synes at have til fælles, er eksistensen af ​​aksioner, som i strengteori er partikler, der vikler sig omkring nogle af de sammenbøjede dimensioner og sætter sig fast.

Hvad mere er, strenge teori forudsiger ikke kun en aksion, men potentielt hundreder af forskellige slags, ved en række forskellige masser, herunder den aksion, der kan vises i de teoretiske forudsigelser af den stærke atomkraft.

Tåbelige strenge

Så vi har masser af nye slags partikler med alle mulige masser. Store! Kunne aksioner udgøre mørkt stof, som ser ud til at være ansvarlig for at give galakser det meste af deres masse, men ikke kan opdages af almindelige teleskoper? Måske; det er et åbent spørgsmål. Men aksioner-som-mørk-stof skal stå over for nogle udfordrende observationsforsøg, så nogle forskere fokuserer i stedet på den lysere ende af aksionsfamilierne og undersøger måder at finde dem på.

Og når disse forskere begynder at grave i den forudsagte opførsel af disse fjervægtaksioner i det tidlige univers, finder de noget virkelig bemærkelsesværdigt. I de tidligste øjeblikke i vores kosmos historie gennemgik universet faseovergange og ændrede hele sin karakter fra eksotiske tilstander med høj energi til regelmæssige lavenergistater. 

Under en af ​​disse faseovergange (som skete, da universet var mindre end et sekund gammelt), optrådte aksionerne af strengteori ikke som partikler. I stedet lignede de løkker og linjer - et netværk af lette, næsten usynlige strenge, der krydser kosmos.

Denne hypotetiske aksivers, fyldt med en række lette aksionstrenge, er ikke forudsagt af ingen anden fysikteori, men strengteori. Så hvis vi bestemmer, at vi lever i en aksiverse, ville det være en stor velsignelse for strengteori. 

Et skift i lyset

Hvordan kan vi søge efter disse aksionstrenge? Modeller forudsiger, at aksionsstrenge har meget lav masse, så lys ikke støder ind i en aksion og bøjning, eller aksioner sandsynligvis ikke ville blande sig med andre partikler. Der kunne være millioner af aksionstrenge, der flyder gennem Mælkevejen lige nu, og vi ville ikke se dem.

Men universet er gammelt og stort, og vi kan bruge det til vores fordel, især når vi anerkender, at universet også er baggrundsbelyst.

Den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) er det ældste lys i universet, der udsendes, da det bare var en baby - omkring 380.000 år gammel. Dette lys har gennemvædet universet i alle disse milliarder af år og filtreret gennem kosmos, indtil det endelig rammer noget, som vores mikrobølgeteleskoper. 

Så når vi ser på CMB, ser vi det gennem milliarder af lysårs værdi af univers. Det er som at se på en lommelygts glød gennem en række spindelvev: Hvis der er et netværk af aksionstrenge trådt gennem kosmos, kunne vi potentielt se dem.

I en nylig undersøgelse, der blev offentliggjort i arXiv-databasen den 5. december, beregnet en trio af forskere den effekt, en axiverse ville have på CMB-lys. De fandt ud af, at polarisering af dette lys kunne ændre sig afhængigt af, hvordan en smule lys passerer nær en bestemt aksionsstreng. Det skyldes, at CMB-lyset (og alt lys) er lavet af bølger af elektriske og magnetiske felter, og polarisering af lys fortæller os, hvordan de elektriske felter er orienteret - noget, der ændrer sig, når CMB-lyset støder på en aksion. Vi kan måle polarisationen af ​​CMB-lyset ved at føre signalet gennem specialfiltre, så vi kan vælge denne effekt. 

Forskerne fandt, at den samlede effekt på CMB fra et univers fyldt med strenge indførte en forskydning i polarisering på ca. 1%, hvilket er lige på randen af ​​hvad vi kan registrere i dag. Men fremtidige CMB-kortlægninger, såsom Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) satellit til undersøgelser af B-mode polarisering og inflation fra kosmisk baggrund Strålingsdetektion (LiteBIRD) og Primordial Inflation Explorer (PIXIE), er i øjeblikket ved at blive designet. Disse futuristiske teleskoper ville være i stand til at snuse ud en aksiverse. Og når disse kortlæggere kommer online, vil vi enten finde ud af, at vi lever i en aksiverse eller udelukke denne særlige forudsigelse af strengteori.

Uanset hvad er der meget at fjerne.

Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet.

• Fra Big Bang til nutiden: Snapshots af vores univers gennem tid
• De 11 største ubesvarede spørgsmål om Dark Matter
• 5 Undvigende partikler ud over Higgs

Oprindeligt offentliggjort den .