Frigjorde en holografisk faseovergang i det tidlige univers gravitationsbølger?

En kunstner

En kunstners illustration af to sorte huller, der fusionerer og skaber krusninger i rumtiden kendt som gravitationsbølger. (Billedkredit: LIGO/T. Pyle)



Paul M. Sutter er astrofysiker hos SUNY Stony Brook og Flatiron Institute, vært for Spørg en rummand og Rumradio , og forfatter til Sådan dør du i rummet . Han bidrog med denne artikel til demokratija.eu's Ekspertstemmer: Meninger og indsigt .



Som jeg er sikker på du kan forstå, ved vi ikke meget om det ekstremt tidlige univers.

Vi formoder, at det gennemgik flere store transformative epoker - kaldet faseovergange - der til sidst førte til det univers, som vi kender og elsker. For nylig har et team af fysikere brugt et af de mest kraftfulde værktøjer fra strengteori til at tackle disse faseændringer og afsløret, at vi er på nippet til direkte at opdage disse begivenheder gennem deres gravitationsbølgesignatur.



Relaterede: Jagt på gravitationsbølger: LIGO laserinterferometerprojektet på fotos

En ny fase

Der er fire kendte naturkræfter . To af dem kender dig meget godt: tyngdekraften og den elektromagnetiske kraft, der tilsammen udgør hovedparten af ​​vores dagligdagse oplevelser. En tredje, den stærke atomkraft, er ansvarlig for at holde atomkerner sammen, men bortset fra det forhindrer dens ekstremt korte rækkevidde det i at gøre meget andet. Den fjerde, den svage atomkraft, er det, der gør atomforfald og reaktioner mulige, hvilket er ret praktisk. Men ellers sidder den kraft bare og tænker på sin egen virksomhed.

Disse fire kræfter kunne ikke være mere forskellige fra hinanden, men en af ​​de mest bemærkelsesværdige indsigter i moderne fysik er, at de alle kan være manifestationer af den samme kraft. Jeg kan ikke bare kalde den forenede kraft 'kraften', fordi 'Star Wars' univers tog den moniker allerede, så vi må nøjes med 'samlet kraft'.



Vi ved ikke, om den forenede kraft faktisk eksisterer (eller nogensinde har eksisteret), men vi har været i stand til at fusionere to af naturens kræfter sammen. Inde i vores højenergi-partikelkolliderforsøg smelter de elektromagnetiske og svage atomkræfter sammen til en samlet 'elektro svag' kraft.

Og hvis vores partikelkolliderer kan opnå denne bedrift, så kan universet helt sikkert. Da vores kosmos var mindre end et sekund gammelt, var det utroligt lille, varmt og tæt. Lille, varm og tæt nok til, at den svage kraft løber vildt. Det var kun en gang universet udvidet og afkølet forbi dette punkt, at kræfterne kunne adskille i deres forskellige identiteter.

Universet: Big Bang til nu i 10 lette trin

Grov tur



I vores enkleste modeller var denne overgang forholdsvis glat-en let-peasy crossover fra det svage regime til universet med de separate elektromagnetiske og svage atomkræfter. Men vores enkleste modeller af fysik, selvom de er radikalt vellykkede, har deres mangler. Vi er ikke i stand til at forklare alle de forskellige fysikker i universet (som f.eks. Neutrinoens masse og tilstedeværelsen af ​​mørkt stof) med vores enkle modeller.

Mere komplekse (og mere hypotetiske) fysikmodeller forudsiger, at faseovergangen, der sluttede den elektrosvage epoke, var meget voldsom. I stedet for en stabil universel overgang var den hård og ujævn. Bobler af nye kræfter dannede, voksede og fusionerede i en voldsom frigivelse af energi, hvor universet brød ud i kaotisk raseri, da den svage kraft blev adskilt fra sig selv.

Men ud over evnen til at sige 'yup, det var vanvittigt', er moderne fysikkens værktøjer ikke klar til at beskrive den voldelige faseovergang mere detaljeret. Vores matematik er bare ikke god nok til at spore alle de komplekse, stærke kræfter, da de transformerede universet.

Stringteori til undsætning.

Ind i hologrammet

Nå, ikke strengteori i sig selv. Stringteori er vores forsøg på at beskrive en samlet kraft (og forklare hele fysikken med en enkelt teori), men den er ikke blevet revnet - ingen har været i stand til at løse matematik for strengteori for faktisk at kunne forudsige (hvilket er slags vigtig for videnskaben).

Men i de årtier, som fysikere har arbejdet med at opklare mysterierne om strengteori (ordspil beregnet), faldt de over en tilsyneladende kraftfuld teknik. Nogle problemer, der virker umuligt hårde, kan omdannes til relativt enkle spørgsmål, der er lette at løse, og derefter transformeres tilbage for at få et svar.

Fangsten: du skal tænke ind højere dimensioner . I vores tilfælde af at forsøge at forstå grimheden i det tidlige univers, kan den hårde (og muligvis umulige) matematik bag faseformovergangens fysik transformeres til et enklere problem, der involverer generel relativitet - i fem dimensioner.

Det giver ingen mening. Hvorfor virker dette trick? Hvorfor bliver elektriske svage problemer i fire dimensioner tyngdekraft problemer i fem? Vi ved det ikke. Men vi ved, at denne tilgang bare kan være skør nok til at fungere, og et team af teoretiske fysikere har brugt denne tilgang til at modellere fysikken i det tidlige univers, som rapporteret i en papir, der for nylig blev vist i fortryksjournalen arXiv .

Bevæbnet med dette nymodede 'holografiske' (som teknikken kaldes, fordi det indebærer at oversætte fra et sæt dimensioner til et andet uden at miste information) trick, var teoretikerne i stand til at spore dannelsen af ​​bobler under den svage faseovergang. De fandt ud af, at bobledannelse og kollision resulterer i en enorm frigivelse af gravitationsbølger.

Disse krusninger i rumtiden kan fortsætte til i dag. Men selvom de ville have revet dig op som et stykke papir, da de først blev dannet, kan de i dag næsten ikke skubbe et atom. Vi har endnu ikke følsomheden til at opdage dem, men forskerne fandt ud af, at foreslåede rumbaserede gravitationsbølgedetektorer, ligesom European Space Agency's Laser Interferometer Space Antenna mission, eller LISA, vil.

Når LISA er fuldt funktionsdygtig (hvilket vil tage endnu et par årtier), er det muligt, at det kan opdage disse svage gravitationsbølger, der er tilovers fra, da den sidste af de fire naturkræfter splittede fra hinanden. Uden holografisk teori havde vi aldrig været i stand til at foretage denne form for forudsigelse, og de tidligste og mest voldelige epoker i kosmos historie ville stadig forblive et mysterium.

Læs mere: ' Gravitationsbølger fra en holografisk faseovergang '

Følg os på Twitter @Spacedotcom eller Facebook.