Pelajaran terbesar Einstein dalam relativitas umum adalah bahwa ruang itu sendiri tidak datar, tidak berubah, dan absolut. Itu dijalin bersama dengan waktu menjadi satu kain: ruang-waktu. Jaringan ini kontinu, halus dan menjadi bengkok dan berubah bentuk dengan adanya materi dan energi. Segala sesuatu yang ada di ruang-waktu ini bergerak di sepanjang jalur yang ditentukan oleh kelengkungan ruang-waktu, dan pergerakannya dibatasi oleh kecepatan cahaya. Tetapi bagaimana jika ada cacat pada kain itu sendiri? Ini bukan fiksi ilmiah, tetapi ide yang benar-benar ada dalam fisika teoretis. Terkait dengannya adalah peninggalan energi tinggi seperti dinding domain, string kosmik, dan monopole. Ethan Siegel dari Medium.com mencoba menjawab pertanyaan tentang apa asal usul, sifat, dan bagaimana mereka akan bergaul dengan alam semesta biasa.
Ternyata mendapatkan alam semesta yang rusak tidak begitu sulit secara matematis.
Perilaku gravitasi Bumi di orbit bukan karena gravitasi gravitasi yang tak terlihat, tetapi lebih baik dijelaskan oleh Bumi yang jatuh bebas melalui ruang melengkung di hadapan Matahari. Bahkan dalam kasus ini, kelengkungan ruang akan terlalu kecil dan tidak akan ada cacat.
Cobalah untuk merepresentasikan ruang tersebut sebaik mungkin. Seperti apa bentuknya? Apakah akan kosong, halus, dan sebagian besar seragam? Apakah Anda juga berpikir bahwa satu-satunya penyimpangan dari keadaan ini akan dikaitkan dengan keberadaan massa dan kuanta energi? Ini adalah pendekatan bagus yang biasanya dilakukan fisikawan. Dalam skala besar, ruang akan menjadi kisi tiga dimensi, satu-satunya deviasi di mana akan menjadi daerah kecil kelengkungan spasial dengan magnitudo kecil, menciptakan gaya gravitasi yang kita kenal dengan baik. Ruang dalam konfigurasi ini akan berada dalam keadaan energi paling sedikit.
Kain ruang-waktu bergelombang dan melengkung karena massa. Sejauh yang kami tahu, ruang tidak pernah melipat dirinya sendiri dan tidak pernah melipat.
Tapi bagaimana dengan keadaan bersemangat? Atau yang lainnya? Untuk membuatnya lebih mudah, mari kurangi dua dimensi spasial dan pertahankan satu: garis. Garis bisa lurus, terbuka dan tak berujung, atau tertutup, seperti lingkaran. Dalam kedua kasus tersebut, garis tersebut akan menjadi garis pada keadaan energi terendah. Seperti apa keadaan energi tinggi itu? Bayangkan mengambil garis Anda dan menggantungnya seperti tali. Sekarang buat simpul pada benang seolah-olah Anda sedang mengikat tali. Sebuah string tanpa simpul akan merepresentasikan ruang satu dimensi dengan tingkat energi terendah; string dengan satu simpul akan mewakili ruang satu dimensi dalam keadaan tereksitasi pertama. Node ini akan menjadi cacat topologi 0 dimensi.
Sekarang Anda dapat melakukan beberapa hal menarik dengan garis yang berisi node. Anda dapat mengikat simpul lain dengan cara yang sama dan mendapatkan dua cacat topologis, bukan satu. Tetapi jika Anda mengikat simpul ke arah yang berlawanan (yaitu, membuat simpul yang sama, tetapi sebaliknya melewati ujungnya sebelum melempar dan mengencangkan), simpul ini secara topologis berlawanan dengan simpul aslinya. Jika Anda dengan sangat hati-hati menyelaraskan kedua simpul (asli dan berlawanan), ternyata keduanya dapat melepaskan satu sama lain dan mengembalikan garis ke keadaan energi rendah.
Video promosi:
Dua jenis efek dimensi-nol ini - simpul dan anti-simpul - memiliki analogi fisik di alam semesta kita: monopole magnetik. Node tersebut berhubungan dengan kutub utara magnetis yang terisolasi; anti-node ke kutub magnet selatan yang terisolasi. Jika Anda menggabungkannya, mereka memusnahkan, seperti materi dan antimateri, dan mengembalikan struktur ruang-waktu ke keadaan energi rendah. Karena monopole hanyalah partikel titik, mereka akan berperilaku seperti materi biasa, tidak jauh berbeda dengan monopole listrik (muatan listrik positif dan negatif) yang ada di alam semesta kita.
Konsep monopole magnet yang memancarkan garis medan magnet dengan cara yang sama seperti muatan listrik terisolasi akan memancarkan garis medan listrik
Jadi mari kembali ke alam semesta 3D kita. Sekarang Anda dapat membayangkan tidak hanya cacat tepat, tetapi juga cacat berdimensi tinggi:
- String kosmik: ketika garis satu dimensi dengan cara tertentu menembus seluruh alam semesta yang dapat diamati
- Dinding domain: ketika bidang dua dimensi dengan properti berbeda dari satu sisi ke sisi lain melewati alam semesta
- Tekstur ruang: ketika area ruang tiga dimensi dipelintir menjadi simpul
Jadi, kita memiliki monopole (0-dimensional), string (1-dimensional), wall (2-dimensional) dan textures (3-dimensional) - semua jenis cacat yang muncul dari mekanisme berbeda dari kelas yang sama: ketika kesimetrian rusak.
Perbedaan antara alam semesta, yang diciptakan menurut kosmologi standar (kiri) dan alam semesta yang diciptakan dengan jaringan cacat topologis yang signifikan (kanan), menimbulkan beragam struktur berskala besar. Pengamatan kami cukup untuk mengesampingkan string kosmik dan dinding domain sebagai komponen dominan alam semesta modern.
Pemutusan simetri adalah masalah serius dalam fisika. Setiap simetri yang ada sesuai dengan nilai yang disimpan, jadi jika simetri rusak, nilai itu tidak lagi disimpan. Monopole dapat diproduksi dengan memecah simetri bola; string dapat diproduksi dengan memutus simetri sudut atau silinder; pelanggaran simetri diskrit dapat membuat dinding domain. Cacat lain sedikit lebih sulit ditemukan, tetapi sering kali muncul dalam skenario dengan dimensi tambahan. Tetapi tiga yang pertama - khususnya, monopole, string kosmik, dan dinding domain - sangat menarik bagi kosmologi.
Kita tahu bahwa semuanya tidak dibatasi oleh Model Standar dan ada banyak ekstensi dan tambahan yang dapat memiliki konsekuensi menarik yang dapat diamati. Salah satunya adalah gagasan Unifikasi Besar, ketika gaya elektromagnetik, nuklir lemah dan kuat bergabung pada energi tinggi. Ide di balik penyatuan ini adalah bahwa ketiga gaya Model Standar, dan bahkan mungkin gravitasi berenergi tinggi, dapat digabungkan menjadi satu struktur. Hal ini tidak hanya akan menyebabkan munculnya partikel dan interaksi baru, tetapi juga memungkinkan munculnya monopole magnetik. Kurangnya monopole magnetik di Alam Semesta yang dapat diamati sering disebut sebagai bukti inflasi kosmik dan bahwa Alam Semesta tidak akan pernah menjadi cukup panas setelah berakhirnya inflasi untuk memulihkan simetri Teori Unifikasi Besar.
Jika simetri yang memastikan Unifikasi Besar rusak, sejumlah besar monopole magnetik akan muncul. Tapi mereka tidak ada di Semesta kita; jika inflasi kosmik terjadi setelah kesimetrian ini rusak, setidaknya satu monopole harus tetap berada dalam alam semesta yang dapat diamati
String kosmik dan dinding domain dapat muncul selama transisi fase, jika benar-benar ada, segera setelah inflasi berakhir. Mungkin ada beberapa simetri berenergi sangat tinggi yang terbentuk pada masa-masa awal, ketika rusak, cacat serupa muncul. String kosmik dan dinding domain - satu atau seluruh jaringan - harus meninggalkan tanda tangan dalam struktur skala besar alam semesta, tekstur akan muncul di CMB, dan monopole harus dibuat melalui eksperimen langsung. Beberapa fisikawan menunjuk pada monopole magnetik yang ditemukan pada 14 Februari 1982 sebagai bukti inflasi kosmik: ada satu monopole di alam semesta yang dapat diamati, dan kami melihatnya!
Pada tahun 1982, sebuah eksperimen yang dipimpin oleh Blas Cabrera, dipersenjatai dengan delapan putaran kawat, mencatat perubahan fluks delapan magneton: bacaan yang mengindikasikan sebuah monopole magnet. Sayangnya, pada saat penemuan, tidak ada orang di sekitar dan tidak ada yang dapat mereproduksi hasilnya, serta menemukan monopole lain.
Dan jika monopole berperilaku seperti materi, string kosmik, dinding domain, atau tekstur kosmologis akan sangat memengaruhi perluasan Semesta. String kosmik akan berperilaku seperti kelengkungan spasial, terbatas pada sekitar 0,4% dari kepadatan energi total, dan dinding domain akan menciptakan bentuk energi gelap yang mempercepat perluasan alam semesta dengan sangat lambat sehingga tidak akan terlihat. Tekstur kosmologis akan memiliki efek yang sama dengan konstanta kosmologis, tetapi alam semesta teramati kita harus dibatasi pada satu cacat tunggal untuk menjelaskan pengamatan kita.
Berbagai komponen kepadatan energi Semesta dan kapan mereka dapat terwujud dengan kekuatan penuh. Jika string kosmik atau dinding domain ada dalam jumlah berapapun, mereka akan sangat mempengaruhi perluasan alam semesta kita.
Monopole, string, dinding, tekstur, dan cacat lainnya harus sangat berat jika ada. Monopole akan menjadi partikel paling masif yang pernah ditemukan (100 triliun kali lebih masif dari top quark). String, dinding, dan tekstur akan menjadi benih untuk struktur skala besar, menyatukan material dan membentuk struktur lain yang dapat dengan mudah kita lihat dengan teleskop modern, survei, dan data CMB. Batasan modern memberi tahu kita bahwa struktur seperti itu tidak ada dalam kelimpahan, dan hampir tidak akan mencapai lebih dari beberapa persen dari total anggaran energi ruang.
Sampai saat ini, tidak ada bukti bahwa alam semesta kita cacat, selain pengamatan tunggal dari monopole magnetik 35 tahun yang lalu. Meskipun kami tidak dapat menyangkal keberadaan mereka (hanya batas), kami perlu tetap memperhatikan dan bersiap tidak hanya untuk kemungkinan pendeteksiannya, tetapi juga untuk tambahan lain pada Model Standar yang tidak dilarang oleh fisika. Dalam kebanyakan kasus, jika mereka tidak ada, pasti ada sesuatu yang menekan keberadaan mereka. Kurangnya bukti tidak menunjukkan tidak adanya fenomena tersebut. Namun, dan tentang ketersediaan juga.
Ilya Khel
