ถ้าฉันบอกคุณว่าจักรวาลของเราถูกน้ำท่วมด้วยอนุภาคเกือบร้อยชนิดที่มองไม่เห็นและเมื่อนานมาแล้วอนุภาคเหล่านี้ก่อตัวเป็นเครือข่ายของสตริงที่ทอดข้ามจักรวาล
มันฟังดูทั้งสามคนและยอดเยี่ยม แต่จริงๆแล้วเป็นการคาดการณ์ของทฤษฎีสตริงซึ่งเป็นความพยายามที่ดีที่สุดของเรา (แต่ไม่น่าผิดหวังอย่างสมบูรณ์) ในทุกทฤษฎี อนุภาคเล็ก ๆ เหล่านี้เรียกว่า axions และหากพวกเขาสามารถพบได้นั่นหมายความว่าเราทุกคนอาศัยอยู่ใน "axiverse" อันกว้างใหญ่
ส่วนที่ดีที่สุดของทฤษฎีนี้ก็คือมันไม่ได้เป็นเพียงสมมติฐานสมมุติเก้าอี้เท้าแขนของนักฟิสิกส์บางคนที่ไม่มีความเป็นไปได้ในการทดสอบ เครือข่ายสายอักขระขนาดใหญ่ที่เข้าใจไม่ได้นี้อาจตรวจพบได้ในอนาคตอันใกล้นี้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ไมโครเวฟที่สร้างขึ้นจริง
ถ้าพบ Axiverse จะทำให้เราได้ก้าวสำคัญในการไขปริศนาของ ... อืมทั้งหมดของฟิสิกส์
ซิมโฟนีของสตริง
ตกลงลงไปทำธุรกิจกัน ก่อนอื่นเราต้องรู้จัก axion ให้ดีขึ้นหน่อย Axion ซึ่งได้รับการตั้งชื่อโดยนักฟิสิกส์ (และต่อมาคือผู้ได้รับรางวัลโนเบล) Frank Wilczek ในปี 1978 ได้รับชื่อเพราะมันตั้งสมมติฐานว่ามีอยู่จากการแตกหักแบบสมมาตร ฉันรู้ว่าฉันรู้ - ศัพท์แสงมากขึ้น ยึดมั่นใน นักฟิสิกส์รักความสมมาตร - เมื่อรูปแบบบางอย่างปรากฏในคณิตศาสตร์
มีสมมาตรชนิดหนึ่งที่เรียกว่าสมมาตร CP ซึ่งบอกว่าสสารและปฏิสสารควรมีพฤติกรรมเหมือนกันเมื่อพิกัดกลับกัน แต่ความสมมาตรนี้ดูเหมือนจะไม่สอดคล้องกับทฤษฎีของพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง วิธีหนึ่งในการไขปริศนานี้คือการแนะนำสมมาตรอื่นในเอกภพที่ "แก้ไข" สำหรับความไม่เหมาะสมนี้ อย่างไรก็ตามสมมาตรใหม่นี้จะปรากฏขึ้นที่พลังงานสูงมากเท่านั้น ที่พลังงานต่ำในชีวิตประจำวันสมมาตรนี้จะหายไปและเพื่อพิจารณาว่าสิ่งนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไรและปรากฏอนุภาคใหม่ - แกน
ตอนนี้เราต้องหันไปใช้ทฤษฎีสตริงซึ่งเป็นความพยายามของเรา (และเป็นความพยายามหลักของเราเป็นเวลา 50 ปีแล้ว) เพื่อรวมพลังแห่งธรรมชาติทั้งหมดเข้าไว้ด้วยกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงโน้มถ่วงในกรอบทฤษฎีเดียว มันพิสูจน์แล้วว่าเป็นปัญหาที่ยุ่งยากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการแก้ปัญหาเนื่องจากความหลากหลายของปัจจัยไม่ใช่อย่างน้อยนั่นก็คือสำหรับทฤษฎีสตริงในการทำงาน (ในคำอื่น ๆ สำหรับคณิตศาสตร์ที่จะมีความหวังในการทำงาน) จักรวาลจะต้องมีพื้นที่ว่างมากกว่าสามมิติตามปกติและหนึ่งครั้ง จะต้องมีมิติพื้นที่เพิ่มเติม
ขนาดเชิงพื้นที่เหล่านี้ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าแน่นอน มิฉะนั้นเราจะสังเกตเห็นสิ่งนั้น ดังนั้นมิติพิเศษจะต้องเล็กมากและขดตัวเองในระดับที่เล็กจนพวกมันหลบเลี่ยงความพยายามปกติในการมองเห็นพวกมัน
สิ่งที่ทำให้ยากนี้คือเราไม่แน่ใจว่ามิติพิเศษเหล่านี้จะขดตัวเองอย่างไรและมีบางวิธีที่เป็นไปได้ประมาณ 10 ^ 200
แต่สิ่งที่การจัดเรียงในมิติเหล่านี้มีเหมือนกันคือการมีอยู่ของ axions ซึ่งในทฤษฎีสตริงเป็นอนุภาคที่หมุนตัวรอบมิติที่ม้วนงอและติดอยู่
ยิ่งไปกว่านั้นทฤษฎีสตริงไม่ได้ทำนายเพียงหนึ่งแกน แต่อาจมีหลายร้อยชนิดที่แตกต่างกันในมวลชนที่หลากหลายรวมถึงแกนที่อาจปรากฏในการทำนายเชิงทฤษฎีของพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง
สตริงโง่
ดังนั้นเราจึงมีอนุภาคชนิดใหม่มากมายที่มีมวลมากมาย ที่ดี! Axions ทำสสารมืดได้หรือไม่ซึ่งดูเหมือนว่าจะต้องรับผิดชอบในการให้กาแลคซีเกือบทั้งหมด แต่ไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ธรรมดา บางที; มันเป็นคำถามเปิด แต่ axions-as-dark- ต้องเผชิญกับการทดสอบเชิงสังเกตการณ์ที่ท้าทายดังนั้นนักวิจัยบางคนจึงมุ่งเน้นไปที่จุดสิ้นสุดของตระกูล axion ที่มีน้ำหนักเบาแทนที่จะสำรวจวิธีค้นหาพวกมัน
และเมื่อนักวิจัยเหล่านั้นเริ่มขุดลงไปในพฤติกรรมที่ทำนายไว้ของ axions เฟเธอร์เวทแบบขนนกเหล่านี้ในเอกภพยุคแรกพวกเขาพบสิ่งที่น่าทึ่งอย่างแท้จริง ในช่วงเวลาที่เร็วที่สุดในประวัติศาสตร์ของจักรวาลของเราจักรวาลผ่านการเปลี่ยนเฟสเปลี่ยนลักษณะทั้งหมดจากสถานะแปลกใหม่พลังงานสูงไปเป็นสถานะพลังงานต่ำปกติ
ในช่วงการเปลี่ยนสถานะหนึ่งช่วง (ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเอกภพมีอายุน้อยกว่าหนึ่งวินาที) แกนของทฤษฎีสตริงไม่ปรากฏเป็นอนุภาค แต่ดูเหมือนว่าพวกมันจะเป็นลูปและลายเส้นซึ่งเป็นเครือข่ายที่มีน้ำหนักเบาและเกือบจะมองไม่เห็นที่สลับกับจักรวาล
Axiverse สมมุติฐานนี้เต็มไปด้วยสาย Axion ที่มีน้ำหนักเบาหลากหลายถูกทำนายโดยทฤษฎีทางฟิสิกส์อื่น ๆ แต่ทฤษฎีสตริง ดังนั้นถ้าเราพิจารณาว่าเราอาศัยอยู่ใน axiverse มันจะเป็นประโยชน์หลักสำหรับทฤษฎีสตริง
การเปลี่ยนแปลงของแสง
เราจะค้นหาสตริง axion เหล่านี้ได้อย่างไร แบบจำลองทำนายว่าสาย Axion มีมวลต่ำมากดังนั้นแสงจะไม่ชนกับแกนและโค้งงอหรือ Axion น่าจะไม่ปะปนกับอนุภาคอื่น ๆ ตอนนี้อาจมีแกน axion หลายล้านเส้นที่ลอยผ่านทางช้างเผือกและเราจะไม่เห็น
แต่จักรวาลนั้นเก่าและใหญ่และเราสามารถใช้สิ่งนั้นเพื่อประโยชน์ของเราโดยเฉพาะเมื่อเราตระหนักว่าจักรวาลนั้นมีแสงด้านหลัง
พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิค (CMB) เป็นแสงที่เก่าแก่ที่สุดในเอกภพปล่อยออกมาเมื่อยังเป็นเด็ก - อายุประมาณ 380,000 ปี แสงนี้ทำให้จักรวาลเปียกโชกมานานนับพันล้านปีผ่านการกรองผ่านเอกภพจนกระทั่งในที่สุดมันก็กระทบบางอย่างเช่นกล้องโทรทรรศน์ไมโครเวฟของเรา
ดังนั้นเมื่อเราดูที่ CMB เราจะเห็นมันผ่านทางเอกภพในพันล้านปีแสง มันเหมือนกับการดูไฟฉายส่องแสงผ่านใยแมงมุมหลายชุด: หากมีเครือข่ายของสตริง Axion ที่พันผ่านเอกภพเราจะเห็นจุดเหล่านั้นได้
ในการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ตีพิมพ์ในฐานข้อมูล arXiv เมื่อวันที่ 5 ธันวาคมนักวิจัยสามคนคำนวณผลกระทบที่ axiverse จะมีต่อแสง CMB พวกเขาพบว่าขึ้นอยู่กับว่าแสงผ่านไปใกล้กับสายแกนหนึ่งขั้วของแสงนั้นจะเปลี่ยนไปอย่างไร นั่นเป็นเพราะแสง CMB (และแสงทั้งหมด) ทำจากคลื่นของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กและโพลาไรเซชันของแสงบอกเราว่าสนามไฟฟ้ามุ่งเน้นอย่างไร - บางสิ่งที่เปลี่ยนแปลงเมื่อแสง CMB พบแกน เราสามารถวัดโพลาไรเซชันของแสง CMB โดยการส่งสัญญาณผ่านตัวกรองพิเศษทำให้เราสามารถเลือกเอฟเฟกต์นี้ได้
นักวิจัยพบว่าผลกระทบทั้งหมดต่อ CMB จากเอกภพที่เต็มไปด้วยสายทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันประมาณ 1% ซึ่งใกล้เคียงกับที่เราสามารถตรวจจับได้ในวันนี้ แต่ผู้ทำแผนที่ CMB ในอนาคตเช่นดาวเทียม Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) สำหรับการศึกษาโพลาไรซ์ B-mode และเงินเฟ้อจากการตรวจจับรังสีพื้นหลังของจักรวาล (LiteBIRD) และ Primordial Inflation Explorer (PIXIE) กล้องโทรทรรศน์แห่งอนาคตเหล่านี้จะสามารถดักจับขวานได้ และเมื่อผู้ทำแผนที่เหล่านั้นมาออนไลน์เราจะพบว่าเราอาศัยอยู่ในแกนหรือแยกออกจากการทำนายทฤษฎีสตริงโดยเฉพาะ
ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดมีหลายสิ่งที่ต้องแก้ให้หายยุ่ง
Paul M. Sutter เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอโฮสต์ของถามนักบินอวกาศ และวิทยุอวกาศและผู้เขียนของสถานที่ของคุณในจักรวาล.
