ماذا لو أخبرتك أن كوننا غمرته مئات الأنواع من الجسيمات غير المرئية تقريبًا ، وأن هذه الجسيمات شكلت منذ فترة طويلة شبكة من سلاسل تمتد للكون؟
يبدو الأمر ثلاثيًا ورائعًا ، ولكنه في الواقع توقع لنظرية الأوتار ، أفضل محاولاتنا (ولكنها غير مكتملة بشكل محبط) في نظرية كل شيء. هذه الجسيمات الغريبة ، وإن كانت افتراضية ، تُعرف باسم الجسيمات المحورية ، وإذا أمكن العثور عليها ، فإن هذا يعني أننا جميعًا نعيش في "أكسفير" شاسع.
أفضل جزء من هذه النظرية هو أنها ليست مجرد فرضية كرسي فيزيائي ، مع عدم وجود إمكانية للاختبار. يمكن الكشف عن هذه الشبكة الضخمة غير المفهومة من الأوتار في المستقبل القريب باستخدام تلسكوبات الموجات الدقيقة التي يتم بناؤها بالفعل.
إذا تم العثور عليها ، فإن المحور الفلكي سوف يمنحنا خطوة كبيرة في اكتشاف لغز ... الفيزياء جيدًا.
سمفونية الأوتار
حسنًا ، لنبدأ العمل. أولاً ، نحتاج إلى التعرف على المحور بشكل أفضل قليلاً. تم تسمية المحوار ، الذي أطلق عليه عالم الفيزياء (ولاحقًا الحائز على جائزة نوبل) فرانك ويلتشيك في عام 1978 ، لأنه افترض وجوده من نوع معين من كسر التماثل. أعلم ، أعلم - المزيد من المصطلحات. انتظر. يحب الفيزيائيون التناظر - عندما تظهر أنماط معينة في الرياضيات.
هناك نوع واحد من التماثل ، يسمى تناظر CP ، الذي يقول أن المادة والمادة المضادة يجب أن تتصرف عند عكس إحداثياتها. لكن لا يبدو أن هذا التناظر يتناسب بشكل طبيعي مع نظرية القوة النووية القوية. أحد حلول هذا اللغز هو تقديم تناظر آخر في الكون "يصحح" هذا السلوك الخاطئ. ومع ذلك ، يظهر هذا التناظر الجديد فقط في طاقات عالية للغاية. في الطاقات المنخفضة اليومية ، يختفي هذا التناظر ، ويحتسب ذلك ، ويخرج جسيم جديد - المحور.
الآن ، نحتاج إلى التحول إلى نظرية الأوتار ، وهي محاولتنا (وكانت محاولتنا الرئيسية منذ 50 عامًا الآن) لتوحيد جميع قوى الطبيعة ، وخاصة الجاذبية ، في إطار نظري واحد. لقد ثبت أنها مشكلة شائكة بشكل خاص لحلها ، بسبب مجموعة متنوعة من العوامل ، ليس أقلها أن تعمل نظرية الأوتار (وبعبارة أخرى ، حتى يكون للرياضيات أمل في العمل) ، يجب أن يكون للكون أكثر من الأبعاد الثلاثة المعتادة للفضاء وواحدًا من الزمان ؛ يجب أن تكون هناك أبعاد مكانية إضافية.
هذه الأبعاد المكانية غير مرئية للعين المجردة بالطبع. خلاف ذلك ، كنا قد لاحظنا هذا النوع من الأشياء. لذا ، يجب أن تكون الأبعاد الإضافية صغيرة جدًا وأن تلتف على نفسها بمقاييس صغيرة جدًا بحيث تتجنب الجهود العادية لتحديدها.
ما يجعل هذا صعبًا هو أننا لسنا متأكدين تمامًا كيف تلتف هذه الأبعاد الإضافية على نفسها ، وهناك ما يقرب من 10 ^ 200 طريقة ممكنة للقيام بذلك.
لكن الشيء المشترك بين هذه الترتيبات الأبعاد هو وجود المحاور ، والتي ، في نظرية الأوتار ، هي جزيئات تلتف حول بعض الأبعاد الملتفة وتتعثر.
ما هو أكثر من ذلك ، أن نظرية الأوتار لا تتنبأ فقط بمحور واحد ولكن من المحتمل أن تكون المئات من الأنواع المختلفة ، في مجموعة متنوعة من الكتل ، بما في ذلك المحور الذي قد يظهر في التنبؤات النظرية للقوة النووية القوية.
سلاسل سخيفة
لذا ، لدينا الكثير من أنواع الجسيمات الجديدة بجميع أنواع كتلها. عظيم! هل يمكن أن تشكل المحوار المادة المظلمة ، التي تبدو مسؤولة عن إعطاء المجرات معظم كتلتها ولكن لا يمكن اكتشافها بواسطة التلسكوبات العادية؟ ربما؛ إنه سؤال مفتوح. لكن يجب أن تواجه الأكسيونات كمادة مظلمة بعض اختبارات المراقبة الصعبة ، لذا يركز بعض الباحثين بدلاً من ذلك على الطرف الأخف من عائلات المحور ، ويستكشفون طرق العثور عليها.
وعندما يبدأ هؤلاء الباحثون في البحث في السلوك المتوقع لهذه المحاور وزن الريش في الكون المبكر ، وجدوا شيئًا رائعًا حقًا. في اللحظات الأولى من تاريخ الكون ، مر الكون بتحولات طورية ، غير شخصيته بالكامل من حالات غريبة عالية الطاقة إلى حالات طاقة منخفضة منتظمة.
خلال واحدة من هذه التحولات الطورية (التي حدثت عندما كان الكون أقل من الثانية القديمة) ، لم تظهر محاور نظرية الأوتار كجسيمات. وبدلاً من ذلك ، بدوا مثل الحلقات والخطوط - شبكة من الأوتار خفيفة الوزن وغير مرئية تقريبًا تتقاطع مع الكون.
هذا الفرض الافتراضي ، المليء بمجموعة متنوعة من سلاسل المحور خفيفة الوزن ، لا تتنبأ به أي نظرية أخرى للفيزياء ولكن نظرية الأوتار. لذا ، إذا قررنا أننا نعيش في أكسفير ، فستكون بمثابة نعمة كبيرة لنظرية الأوتار.
تحول في الضوء
كيف يمكننا البحث عن سلاسل المحور هذه؟ تتوقع النماذج أن سلاسل المحوار لها كتلة منخفضة جدًا ، لذلك لن يتصادم الضوء مع محوري وينحني ، أو من المحتمل ألا تختلط المحاور مع الجسيمات الأخرى. يمكن أن يكون هناك ملايين الخيوط المحورية التي تطفو في درب التبانة الآن ، ولن نراها.
لكن الكون قديم وكبير ، ويمكننا الاستفادة من ذلك لصالحنا ، خاصة عندما ندرك أن الكون مضاء أيضًا.
الخلفية الكونية الميكروية (CMB) هي أقدم ضوء في الكون ، تنبعث عندما كان مجرد طفل - يبلغ عمره حوالي 380،000 سنة. لقد غمر هذا الضوء الكون طوال مليارات السنين هذه ، وتصفية خلال الكون حتى يصل في النهاية إلى شيء ما ، مثل تلسكوبات الموجات الدقيقة.
لذلك ، عندما ننظر إلى CMB ، نراه من خلال مليارات من الكون ذي السنوات الضوئية. إنه يشبه النظر إلى وهج مصباح يدوي من خلال سلسلة من خيوط العنكبوت: إذا كانت هناك شبكة من سلاسل محورية مترابطة عبر الكون ، فيمكننا تحديدها.
في دراسة حديثة ، نُشرت في قاعدة بيانات arXiv في 5 ديسمبر ، قام ثلاثة من الباحثين بحساب الأثر الذي سيكون لـ Axiverse على ضوء CMB. ووجدوا أنه ، اعتمادًا على كيفية مرور القليل من الضوء بالقرب من سلسلة محورية معينة ، يمكن أن يتحول استقطاب هذا الضوء. ذلك لأن ضوء CMB (وجميع الضوء) مصنوع من موجات المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، ويخبرنا استقطاب الضوء عن كيفية توجيه المجالات الكهربائية - وهو أمر يتغير عندما يواجه ضوء CMB محوراً. يمكننا قياس استقطاب ضوء CMB عن طريق تمرير الإشارة من خلال مرشحات متخصصة ، مما يسمح لنا باختيار هذا التأثير.
ووجد الباحثون أن التأثير الكلي على CMB من عالم مليء بالأوتار أدى إلى تحول في الاستقطاب يصل إلى حوالي 1 ٪ ، وهو على وشك ما يمكننا اكتشافه اليوم. لكن مصممي CMB في المستقبل ، مثل Cosmic Origins Explorer ، القمر الصناعي Lite (Light) لدراسات استقطاب الوضع B والتضخم من الكشف عن الإشعاع في الخلفية الكونية (LiteBIRD) ، ومستكشف التضخم الأساسي (PIXIE) ، يتم تصميمها حاليًا. ستكون هذه المقاريب المستقبلية قادرة على استنشاق أكسفير. وبمجرد اتصال هؤلاء المصممين بالإنترنت ، سنجد إما أننا نعيش في فلك أو نستبعد هذا التنبؤ الخاص بنظرية الأوتار.
في كلتا الحالتين ، هناك الكثير لحلها.
بول م. سوتر فيزيائي فلكي فيجامعة ولاية أوهايومضيفاسأل رائد فضاء وراديو الفضاء، ومؤلف كتابمكانك في الكون.
