Hva om jeg fortalte deg at universet vårt var oversvømmet av hundrevis av slags nesten usynlige partikler, og at disse partiklene for lenge siden dannet et nettverk av univers-spennende strenger?
Det høres både trippy og kjempeflott ut, men det er faktisk en prediksjon av strengteori, vårt beste (men frustrerende ufullstendige) forsøk på en teori om alt. Disse bisarre, om enn hypotetiske, små partiklene er kjent som aksjoner, og hvis de kan bli funnet, vil det bety at vi alle lever i en enorm "aksiverse."
Den beste delen av denne teorien er at det ikke bare er noen fysikeres lenestolhypotese, uten mulighet for testing. Dette ubegripelig enorme nettverk av strenger kan detekteres i løpet av en nær fremtid med mikrobølgeteleskoper som faktisk bygges.
Hvis det ble funnet, ville aksiversen gi oss et stort skritt opp i å finne ut puslespillet om… vel, all fysikk.
En symfoni av strenger
OK, la oss komme til virksomheten. Først må vi bli bedre kjent med aksjonen. Aksjonen, som ble navngitt av fysiker (og senere nobelprisvinneren) Frank Wilczek i 1978, får navnet sitt fordi den antas å eksistere fra en viss form for symmetribryting. Jeg vet, jeg vet - mer sjargong. Vent litt. Fysikere elsker symmetri - når visse mønstre vises i matematikk.
Det er en slags symmetri, kalt CP-symmetri, som sier at materie og antimaterie bør oppføre seg det samme når koordinatene deres blir omgjort. Men denne symmetrien ser ikke ut til å passe naturlig inn i teorien om den sterke atomkraften. En løsning på dette puslespillet er å introdusere en annen symmetri i universet som "korrigerer" for denne feiloppførselen. Imidlertid vises denne nye symmetrien bare ved ekstremt høye energier. Ved lave energier hver dag forsvinner denne symmetrien, og for å redegjøre for det, og dukker det opp en ny partikkel - aksjonen.
Nå må vi henvende oss til strengteori, som er vårt forsøk (og har vært vårt viktigste forsøk i 50-odde år nå) for å forene alle naturens krefter, spesielt tyngdekraften, i en enkelt teoretisk ramme. Det har vist seg å være et spesielt tornete problem å løse, på grunn av en rekke faktorer, ikke minst det som er at for strengteori fungerer (med andre ord, for at matematikken til og med har et håp om å trene), universet må ha mer enn de vanlige tre dimensjonene til rom og en av tid; det må være ekstra romlige dimensjoner.
Disse romlige dimensjonene er selvfølgelig ikke synlige for det blotte øye; Ellers hadde vi lagt merke til den slags. Så de ekstra dimensjonene må være teensy-bittesmå og krølles sammen på seg selv i så små vekter at de unngår normal innsats for å få øye på dem.
Det som gjør dette vanskelig er at vi ikke helt er sikre på hvordan disse ekstra dimensjonene krøller seg sammen, og det er et sted rundt 10 ^ 200 mulige måter å gjøre det på.
Men hva disse dimensjonale arrangementene ser ut til å ha felles er eksistensen av aksjoner, som i strengteori er partikler som slynger seg rundt noen av de sammenbøyde dimensjonene og setter seg fast.
Dessuten forutsier ikke strengteori bare en aksjon, men potensielt hundrevis av forskjellige slag, ved en rekke masser, inkludert aksjonen som kan vises i de teoretiske spådommene for den sterke kjernekraften.
Dumme strenger
Så vi har mange nye typer partikler med alle slags masser. Flott! Kunne aksjoner utgjøre mørk materie, som ser ut til å være ansvarlig for å gi galakser mesteparten av sin masse, men ikke kan oppdages av vanlige teleskoper? Kanskje; det er et åpent spørsmål. Men aksjoner-som-mørk-materie må møte noen utfordrende observasjonstester, så noen forskere fokuserer i stedet på den lysere enden av aksjonsfamiliene og undersøker måter å finne dem på.
Og når disse forskerne begynner å grave seg inn i den forutsagte oppførselen til disse fjærvektaksene i det tidlige universet, finner de noe virkelig bemerkelsesverdig. I de tidligste øyeblikkene av kosmos historie, gikk universet gjennom faseoverganger, og endret hele karakteren fra eksotiske tilstander med høy energi til vanlige lavenergitilstander.
Under en av disse faseovergangene (som skjedde da universet var mindre enn et sekund gammelt), virket aksjonene av strengteori ikke som partikler. I stedet så de ut som løkker og linjer - et nettverk av lette, nesten usynlige strenger som krysser kosmos.
Denne hypotetiske aksiverseren, fylt med en rekke lette aksjonsstrenger, er spådd av ingen andre fysikkteorier, men strengteori. Så hvis vi bestemmer at vi lever i en aksiverse, ville det være en viktig velsignelse for strengteori.
Et skifte i lyset
Hvordan kan vi søke etter disse aksjonsstrengene? Modeller spår at aksjonsstrenger har veldig lav masse, så lys ikke vil støte inn i en aksjon og bøye, eller aksjoner sannsynligvis ikke vil blande seg med andre partikler. Det kan være millioner av aksjonsstrenger som flyter gjennom Melkeveien akkurat nå, og vi ville ikke se dem.
Men universet er gammelt og stort, og vi kan bruke det til vår fordel, spesielt når vi er klar over at universet også er bakbelyst.
Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) er det eldste lyset i universet, som ble sendt ut da det bare var en baby - omtrent 380 000 år gammel. Dette lyset har gjennomvåt universet i alle disse milliarder av år, og filtrert gjennom kosmos til det endelig treffer noe, som mikrobølgeteleskopene våre.
Så når vi ser på CMB, ser vi det gjennom milliarder av lysårs univers verdt. Det er som å se på en lommelyktens glød gjennom en serie spindelvev: Hvis det er et nettverk av aksjonsstrenger som er gjenget gjennom kosmos, kan vi potensielt få øye på dem.
I en fersk studie, publisert i arXiv-databasen 5. desember, beregnet en trio av forskere effekten en axiverse ville ha på CMB-lys. De fant ut at, avhengig av hvordan litt lys passerer nær en bestemt aksjonsstreng, kan polarisasjonen av dette lyset forskyves. Det er fordi CMB-lyset (og alt lys) er laget av bølger av elektriske og magnetiske felt, og polarisering av lys forteller oss hvordan de elektriske feltene er orientert - noe som endrer seg når CMB-lyset møter en aksjon. Vi kan måle polarisering av CMB-lyset ved å føre signalet gjennom spesialiserte filtre, slik at vi kan plukke ut denne effekten.
Forskerne fant at den totale effekten på CMB fra et univers fullt av strenger introduserte et polarisasjonsskifte på rundt 1%, noe som er rett på grensen til det vi kan oppdage i dag. Men fremtidige CMB-kartleggere, som Cosmic Origins Explorer, Lite (Light) -satellitt for studier av B-modus polarisering og inflasjon fra kosmisk bakgrunn Radiation Detection (LiteBIRD) og Primordial Inflation Explorer (PIXIE), er for tiden under utvikling. Disse futuristiske teleskopene ville være i stand til å snuse ut en aksiverse. Og når disse kartleggere kommer på nettet, vil vi enten finne at vi lever i en aksiverse eller utelukke denne spesielle prediksjonen om strengteori.
Uansett er det mye å løse ut.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hosOhio State University, vert avSpør en Spaceman ogSpace Radio, og forfatter avDin plass i universet.
