Может ли ткань пространства-времени быть с изъянами?

1 Августа 2017 в 17:00, Илья Хель 15 632 просмотра 36

Самый большой урок общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что пространство само по себе не является плоской, неизменной и абсолютной сущностью. Оно соткано вместе со временем в одну ткань: пространство-время. Эта ткань непрерывная, гладкая и становится изогнутой и деформированной в присутствии вещества и энергии. Все существующее в этом пространстве-времени движется по пути, определяемому кривизной пространства-времени, и его движение ограничено скоростью света. Но что, если в самой ткани будут дефекты? Это не научная фантастика, а действительно существующая идея в теоретической физике. С ней связаны высокоэнергетические реликты вроде доменных стен, космических струн и монополей. Итан Зигель с Medium.com постарался ответить на вопрос, каким может быть их происхождение, свойства и как они будут уживаться с обычной Вселенной.

Получить дефектную Вселенную, как выяснилось, математически не так уж и сложно.

Гравитационное поведение Земли на орбите обусловлено не невидимым гравитационным тяготением, а лучше описывается Землей, свободно падающей через искривленное пространство в присутствии Солнца. Даже в этом случае кривизна пространства будет слишком малой и в ней не будет дефектов

Попытайтесь представить пространство как можно лучше. На что оно похоже? Будет ли оно пустым, гладким и по большей части однородным? Вы тоже думаете, что единственные отклонения от этого состояния будут связаны с присутствием масс и квантов энергии? Это хороший подход, который обычно выбирают физики. На крупных масштабах пространство будет представлять собой трехмерную сетку, единственными отклонениями в которой будут небольшие регионы пространственной кривизны малой величины, создающие гравитационную силу, которую мы хорошо знаем. Пространство в такой конфигурации будет в состоянии наименьшей энергии.

Ткань пространства-времени с рябью и деформациями из-за массы. Насколько нам известно, пространство никогда не складывается само в себя и не загибается

Но как насчет возбужденных состояний? Или других? Чтобы было легче, давайте вычтем два пространственных измерения и оставим одно: линию. Линия может быть прямой, открытой и бесконечной, либо же замкнутой, как петля. В обоих случаях они будут линиями в состоянии наименьшей энергии. Каким было бы состояние высокой энергии? Представьте, что вы берете свою линию и подвешиваете ее, как струну. А теперь сделайте на струне узел, будто зашнуровываете шнурки. Струна без узла будет представлять собой одномерное пространство в состоянии с наименьшей энергией; струна с одним узлом будет представлять одномерное пространство в первом возбужденном состоянии. Этот узел будет 0-мерным топологическим дефектом.

Теперь вы можете проделать интересные вещи с содержащей узел линией. Вы можете завязать другой узел точно так же и получить два топологических дефекта вместо одного. Но если вы завяжете узел в противоположном направлении (то есть сделаете такую же петлю, но иначе положите концы крест-накрест, прежде чем перебросить и затянуть), этот узел будет топологически противоположным оригинальному узлу. Если вы очень осторожно совместите оба узелка (изначальный и противоположный), выяснится, что они могут развязать друг друга и вернуть линию в состояние низкой энергии.

Два типа этих нульмерных эффектов — узел и антиузел — имеют физические аналогии в нашей Вселенной: магнитные монополи. Узел соответствует изолированному северному магнитному полюсу; антиузел — изолированному южному магнитному полюсу. Если вы совместите их, они аннигилируют, как материя и антиматерия, и вернут ткань пространства-времени в низкое энергетическое состояние. Поскольку монополи это всего лишь точечные частицы, они будут вести себя как обычное вещества, не сильно отличаясь от электрических монополей (положительных и отрицательных электрических зарядов), которые есть в нашей Вселенной.

Концепция магнитного монополя, испускающего линии магнитного поля так же, как изолированный электрический заряд испускал бы линии электрического поля

Итак, давайте вернемся к нашей трехмерной Вселенной. Теперь можете вообразить не только точечные дефекты, но и высокоразмерные дефекты:

  • Космические струны: когда одномерная линия в некотором роде пронизывает всю наблюдаемую Вселенную
  • Доменные стенки: когда двухмерная плоскость с различными свойствами от одной стороны до другой проходит через Вселенную
  • Космические текстуры: когда область трехмерного пространства закручивается в узлы

Итак, у нас имеются монополи (0-мерные), струны (1-мерные), стенки (2-мерные) и текстуры (3-мерные) — всевозможные дефекты, которые вытекают из разных механизмов одного класса: когда нарушается симметрия.

Различия между Вселенными, одной созданной в соответствии со стандартной космологией (слева) и одной созданной со значительной сетью топологических дефектов (справа), выдают самые разные крупномасштабные структуры. Наших наблюдений достаточно, чтобы исключить космические струны и доменные стенки как доминирующий компонент современной Вселенной

Нарушение симметрии — серьезное дело в физике. Каждая существующая симметрия соответствует сохраняемой величине, поэтому, если симметрия нарушена, эта величина больше не сохраняется. Можно производить монополи, нарушая сферическую симметрию; можно производить струны, нарушая угловую или цилиндрическую симметрию; нарушение же дискретной симметрии может создать доменные стенки. Другие дефекты чуть сложнее нащупать, но они часто вступают в игру, когда дело доходит до сценариев с дополнительными размерностями. Но первые три — в частности монополи, космические струны и доменные стенки — представляют особый интерес для космологии.

Мы знаем, что Стандартной моделью все не ограничивается и существует много продолжений и дополнений, которые могут иметь любопытные наблюдаемые последствия. Одно из них — это идея Великого объединения, когда электромагнитные, слабые и сильные ядерные силы объединяются при высоких энергиях. Идея объединения состоит в том, что все три силы Стандартной модели и, возможно, даже гравитацию при высоких энергиях можно было бы совместить в единой структуре. Это не только привело бы к появлению новых частиц и взаимодействий, но и позволило бы появиться магнитным монополям. Отсутствие магнитных монополей в наблюдаемой Вселенной зачастую упоминают как доказательство космической инфляции и того, что Вселенная никогда не станет достаточно горячей после конца инфляции, чтобы восстановить симметрию Теорий Великого объединения.

Если бы симметрия, обеспечивающая Великое объединение, нарушалась, появилось бы колоссальное количество магнитных монополей. Но в нашей Вселенной их нет; если бы космическая инфляция имела место после того, как эта симметрия нарушилась, хотя бы один монополь должен был остаться в пределах наблюдаемой Вселенной

Космические струны и доменные стенки могли бы появиться при фазовых переходах, если бы действительно существовали, вскоре после окончания инфляции. Могут существовать некоторые чрезвычайно высокоэнергетические симметрии, образованные в ранние времена, при нарушении которых появляются подобные дефекты. Космические струны и доменные стенки — одна или целая сеть — должны были бы оставить сигнатуру в крупномасштабной структуре Вселенной, текстуры должны были бы показаться в CMB, а монополи — быть созданы в ходе прямых экспериментов. Некоторые физики указывают на магнитный монополь, открытый 14 февраля 1982 года, как на доказательство космической инфляции: был один монополь в наблюдаемой Вселенной, и мы его видели!

В 1982 году эксперимент под руководством Бласа Кабреры, вооруженного восемью витками проволоки, зарегистрировал изменение потока восьми магнетонов: показания, указывающие на магнитный монополь. К сожалению, на момент обнаружения поблизости никого не было и никто не смог воспроизвести результат, равно как и найти другой монополь

И если монополи будут вести себя как вещество, космические струны, доменные стенки или космологические текстуры будут серьезно влиять на расширение Вселенной. Космические струны будут вести себя как пространственная кривизна, ограничиваясь порядка 0,4% общей энергетической плотности, а доменные стенки будут создавать форму темной энергии, которая так медленно ускоряет расширение Вселенной, что этого даже нельзя будет заметить. Космологические текстуры будут иметь такой же эффект, как и космологическая постоянная, но наша наблюдаемая Вселенная должна будет ограничиться одним-единственным дефектом, чтобы объяснить наши наблюдения.

Различные компоненты энергетической плотности Вселенной и когда они могли бы проявиться в полную силу. Если бы космические струны или доменные стенки существовали хоть в каком-нибудь количестве, они бы серьезно повлияли на расширение нашей Вселенной

Монополи, струны, стенки, текстуры и прочие дефекты должны быть сверхтяжелыми, если бы существовали. Монополи стали бы самыми массивными частицами из обнаруженных (в 100 триллионов раз массивнее топ-кварка). Струны, стенки и текстуры стали бы семенами для крупномасштабных структур, стягивая вещество и образуя другие структуры, которые мы с легкостью бы разглядели при помощи современных телескопов, обследований и данных CMB. Современные ограничения говорят нам, что таких структур не существует в изобилии, и на них вряд ли пришлось бы больше нескольких процентов общего энергетического бюджета космоса.

На сегодняшний день нет никаких доказательств того, что наша Вселенная дефектная, если не считать того единственного наблюдения магнитного монополя 35 лет назад. Хотя мы не можем опровергнуть их существование (только ограничить), нужно держать ушки на макушке и быть готовыми не только к их возможному обнаружению, но и к любым другим дополнениям Стандартной модели, не запрещенным физикой. В большинстве случаев, если их не существует, значит должно быть что-то, подавляющее их существование. Отсутствие доказательств не свидетельствует об отсутствии явления. Впрочем, и о наличии тоже.

Может ли ткань пространства-времени быть с изъянами?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

36 комментариев

  1. RiotMakeR

    очередной бред гуманитариев-теоретиков навязанный им показными графиками и научной фантастикой ... не существует в реальном физическом мире такого параметра как "время" и соответтсвенно связки "пространство-время" ... это псевдо-физическая величина, которая была выведена искусственно человеком для его же удобства в вычислениях и при работе с изменяющимися и протекающими процессами

    • mr Vanya

      +

    • BEBEL

      >> не существует в реальном физическом мире такого параметра как "время" и соответтсвенно связки "пространство-время"

      Т.е. вы хотите сказать, что Луна существует, только когда вы на нее смотрите ... ?

      • RiotMakeR

        не утрируйте, луна это вполне реальный материальный объект ... при этом понятие "время" таковым не является и всего лишь инструмент разума человека

        • mr Vanya

          Мне откровенно не понятно, что заставило человека прочитав ваш пост написать "Т.е. вы хотите сказать, что Луна существует, только когда вы на нее смотрите ... ?"
          Нет ни одной догадки о логической последовательности рассуждений приведшей от фразы "не существует ... связки "пространство-время"" к этому выводу. Существование Луны как раз независимо от наблюдателя.

    • Skydreamer

      +
      Я давно уже говорю что никакого времени нету. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • velzevul88

      Все эти доктора наук выеденного яйца не стоят!! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Shadow006

      Ты просто клоун возомнивший себя экспертом, потому что время это реальное 4 измерение(но их может быть и больше), вселенное расширяется в этом 4 измерении потому что остальные 3 измерения пространства замкнуты в себе. Вселенная это 4 мерная гиперсфера радиусом которой является то самое 4 измерение ВРЕМЕНИ, а поверхность сферы это пространство скорость надувания сферы - скорость света, каждая масса и точка в пространствые несется сквозь время со скоростью света, потому есть такая формула E=mc^2, думаю даже сам Эйнштейн, который ее вывел не понимал ее истинной сути.

      • dima34

        Теория близнецов должна выглядеть так: один остаётся на земле, второй на скорости света остаётся молодой, а третий ( хрен знает что с ним надо сделать) становиться стариком. Так вот третье не описано. А у вас вообще получаеться что в одной системе может присутствовать разное время. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • dima34

      Плюсую (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  2. werter

    Он был не в себе, а потом ушел в себя, и от этого сам не ©вой. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. Kajus Bonus

    Чтобы передавать какие-либо воздействия на расстоянии, эти расстояния придётся чем-то заполнить. Говоря о гравитации, как о искажении, надо хотя бы отдаленно представлять, что именно искривилось. Одним словом придётся чем-то заполнить пустоту...темной материей, эфиром, ноль-мерными объектами (что бы это не значило). А если пространство чем-то заполнено, значит осталось это что зарегистрировать, посчитать и положить аккуратно на полочку...в то самое место, которое на самом виду и в котором ничего нет. Можно лишь предположить, что это ...нечто...повсюду одинаково и не имеет возмущений в своей структуре и потому не поддается никакой регистрации...давайте назовём это, скажем Магией, или Волей Всемогущего Творца, но без этого все эти теории звучат как горячечный бред.

    • IronFenyx

      Есть такое понятие - квазичастицы. Это когда, например, колебания кристаллической решетки ведут себя как частицы с определенной массой и энергией. Они могут передвигаться, сталкиваться, как-то еще взаимодействовать друг с другом.. Есть гипотеза (или теория), что всё материальное в нашей вселенной - это не что иное как квазичастицы в какой-то материи. Поэтому мы, стстоящие из квазичастиц, не можем никак "пощупать" эту ткань, на которой мы - только лишь узоры (или рябь)!!! Таким образом легко можно объяснить понятие эфира и разрешить все противоречия теорий близко-дальнодействия. Материя есть - через неё взаимодействия и передаются, со скоростью звука в этой среде. Ну и прочие следствия..

  4. r2d2u2

    Пространство - это своего рода "движок", в котором существуют все частицы, поля, объекты, законы и т.д. И, скорее всего, этот движок сложнее всего, что только существует в материальном мире, хотя нам кажется, что его, вроде как, и нет, что пространство - пустота. Это и делает его изучение работой не из простых. Пространство - это корень всего. Его изучение, в перспективе, позволило бы создавать в нем новые частицы, менять существующие и создавать новые физические законы. Вот куда надо копать. А считать его "тканью" - это несерьезно.

    • uran

      Нафантазировали, чтобы оправдать гранты (отправлено из приложения Hi-News.ru)

      • r2d2u2

        - Я и от ЦРУ ушел, и от МИ6 ушел, и от ФСБ ушел...
        - А от нас, гад, не уйдешь!
        - А кто это говорит, то???
        - Мысли твои! Чудак ты эдакий....
        - А вот и врете! А вот и от вас уйду!
        - Эй! Никто не видел куда он делся? Нее, не видели. Надо же, и вправду ушел!

  5. werter

    Заполнить пустоту...темной материей.
    Понял есть нечего.© добрый ЭЭХ (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  6. werter

    Всюду тлен.© (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  7. werter

    Горячее надувательство.© (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  8. Raid Ashihi

    Если сказать: нет пространства - это ложь , пространство пусто - тоже ложь , что нету времени - враньё , оно есть . Если всё это так , значит всё это должно из чего-то быть. Есть предположение , что пространство состоит из находящейся в нём материи , а время описывает её существование . Отсюда вывод : если не будет материи, то не будет пространства и времени , но материя есть . И есть гипотеза , что нет никакого притяжения , а все существующие взаимодействия являются следствием отталкивания частиц на много порядков меньших известных . Закрученных подобно водоворотам и вихрям .Если так , то вселенная бесконечна и это реально...

  9. amd212

    Запись вектора в виде (Px, Py, Pz, t) не есть физическая связь пространства и времени

  10. uran

    Да, да, а если линию вести параллельно Земле, то она замкнется, вот ведь, ну надо же. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  11. macss

    Пространство/время , или v^2 . Так почему эта физическая величина искривлена?
    Вообще-то искривление обусловлено физическими законами относящимися не
    к этой величине. Полное значение этой формулы выглядит так;
    E = mv^2 / 2 где главными физическими величинами являются Энергия и Масса.
    То есть Количество Энергии равно Массе/материи.
    Зри в корень! (Козьма Прутков) В данной формуле Главным является Масса/Материя!
    Предположим, что перед нами Формула строения нашей Галактики.
    Тогда величина v^2 (пространство/время) преобразуется в Оболочку Галактики
    внутри которой находится Масса/Материя("темная материя") огромной
    плотности. Гиганский вес превратит эту массу в огромную лепешку.
    Значит будущая Галактика должна вращаться/двигаться со скоростью
    120 км/сек. Такая скорость превращает Галактику в шар, то есть
    искривляет пространство/время.При такой скорости по Экватору
    на полюсах(где скорость вращения равна нулю) образуются
    две Черные Дыры по законам гидродинамики.
    Внутри ЧД, где давление "темной материи" возрастает, а плотность
    оболочки v^2 падает, начинает просачиваться " темная Материя".
    В состоянии покоя жидкости "темной материи" каждый кубический см.
    весит более 10 Тонн. Попадая в жерло ЧД где давление равно нулю
    "темная материя" взрывается превращаясь метеориты.

    • bari

      Кончай баловаться такими забористыми веществами.

    • RiotMakeR

      величина v^2 это не "пространство/время" ... это квадрат скорости ))) насмешил фантазер

      "Предположим, что перед нами Формула строения нашей Галактики." ... ну предположили, и дальше что обсуждать наше же предположение? сначала докажи его а не фантазируй внутри своих же фантазий

  12. macss

    Почему Земля не падает и почему Солнечная Система в одной
    плоскости? Причина одна: Солнце абсолютно неподвижно
    относительно нашей Галактики. Так электромагнитное
    силовое поле Галактики высотой около 400 тысяч километров
    "управляет" движением всей СС и облаком Оорта, не
    допуская снижения ниже силового поля.
    Так как наша Галактика шар, то и СС выглядит как сфера.
    Почему Солнце неподвижно? Сила притяжения велика.
    Солнце расположено посередине между Экватором и
    ЧД нашей Галактики. Малейший сдвиг в сторону ведет
    к катастрофе.

    • Pavel.Vorobev

      И вы серьёзно в это верите...
      Пишите фантастические романы, у Вас получится.

    • RiotMakeR

      вы наверно очень удивитесь, но наше солнце на самом деле движется с огромной скоростью по отношению к нашей галактике ... а наша галактика так же движется с огромной скоростью по отношению к другим галактикам ... не курите - это для фантазии полезно, а для мозгов нет

  13. Megard

    "Оно соткано вместе со временем в одну ткань: пространство-время" - когда никто не может ответить что такое это "пространство-время" дальнейшие рассуждения - просто гадание.

  14. Zondish

    Статью читать не обязательно, коменты намного интереснее .. )))) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  15. macss

    Так что такое "темная материя"?
    Вероятнее всего это смесь в равных долях вещества и антивещества.
    Не стоит забывать, что реакция/аннигиляция 2 грамм антивещества
    по мощности сопоставима со взрывом 60 бомб Хиросимы.
    И "крошечная" Галактика с диаметром около 6 световых лет
    ежели взорвется, то уже никто не будет вспоминать теорию БВ.
    Нет доказательств про антивещество?
    Метеориты: Тунгусский, Чебаркульский и т.д.
    Взрывы на Солнце. Землетрясения и извержения вулканов,
    Все эти природные явления объединены одним свойством -
    - непредсказуемостью. Ну и конечно источником Энергии.

    • Badross

      Это не смесь, это просто вещество, которое не участвует ни в одном из взаимодействий, кроме гравитационного, его достаточно много и скорее всего это достаточно тяжёлые частицы.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.