מה אם הייתי אומר לך שהיקום שלנו מוצף במאות סוגים של חלקיקים כמעט בלתי נראים ושכבר מזמן, החלקיקים הללו היוו רשת של מיתרים המפיצים ביקום?
זה נשמע מטריף וגם מדהים, אבל זו למעשה חיזוי לתיאוריית המיתרים, הניסיון הטוב ביותר שלנו (אך חסר השלמות) לתאוריה של הכל. החלקיקים הקטנים והמוזרים האלה, גם אם היפותטיים, ידועים כצירים, ואם ניתן למצוא אותם, פירוש הדבר שכולנו חיים ב"ציר ענק "עצום.
החלק הטוב ביותר בתיאוריה זו הוא שזו לא רק השערת כורסה של פיזיקאי, ללא אפשרות לבדיקה. רשת מיתרים ענקית בלתי מובנת זו עשויה להיות ניתנת לגילוי בעתיד הקרוב באמצעות טלסקופ מיקרוגל שנבנה בפועל.
אם יימצא, האקסיבריברס ייתן לנו צעד חשוב במציאת הפאזל של… ובכן, כל הפיזיקה.
סימפוניה של מיתרים
בסדר, בואו נתחיל לעסקים. ראשית, עלינו להכיר את הציר קצת יותר טוב. הציר, שנקרא על ידי הפיזיקאי (ואחר כך גם חתן פרס נובל) פרנק וילצ'ק בשנת 1978, מקבל את שמו מכיוון שהוא משער כי קיים מסוג מסוים של שבירת סימטריה. אני יודע, אני יודע - יותר ז'רגון. תחזיק מעמד. פיזיקאים אוהבים סימטריות - כאשר דפוסים מסוימים מופיעים במתמטיקה.
יש סוג אחד של סימטריה, המכונה סימטריית ה- CP, האומרת שחומר ואנטי-חומר צריכים להתנהג כך כשהקואורדינטות שלהם מתהפכות. אולם נראה כי סימטריה זו אינה משתלבת באופן טבעי בתיאוריה של הכוח הגרעיני החזק. פיתרון אחד לפאזל זה הוא הכנסת סימטריה נוספת ביקום ש"מתקנת "להתנהגות לא נכונה זו. עם זאת, סימטריה חדשה זו מופיעה רק באנרגיות גבוהות במיוחד. באנרגיות נמוכות יומיומיות, סימטריה זו נעלמת, וכדי להסביר זאת, ומופיעה חלקיק חדש - הציר.
כעת עלינו לפנות לתיאוריית המיתרים, שהיא הניסיון שלנו (והיה הנסיון העיקרי שלנו מזה 50 שנה ומשהו) לאחד את כל כוחות הטבע, בעיקר כוח המשיכה, במסגרת תיאורטית אחת. הוכח כבעיה קוצנית במיוחד לפיתרון, בשל מגוון גורמים, שהאחד מהם הוא זה שלתיאוריית המיתרים תעבוד (במילים אחרות, למתמטיקה אפילו יש תקווה לעבוד), ביקום חייב להיות יותר משלושת הממדים הרגילים של המרחב ואחד של הזמן; חייבים להיות ממדים מרחביים נוספים.
הממדים המרחביים האלה אינם נראים כמובן בעין בלתי מזוינת; אחרת היינו שמים לב לסוג כזה. כך שהממדים הנוספים צריכים להיות זעירים-זעירים ולהתכרבל בעצמם בסולמות כה קטנים עד שהם מתחמקים ממאמצים נורמליים לאתר אותם.
מה שמקשה על זה הוא שאנחנו לא בדיוק בטוחים כיצד הממדים הנוספים האלה מתכרבלים בעצמם, ויש איפה שהוא בערך 10 ^ 200 דרכים אפשריות לעשות זאת.
אולם, ככל הנראה, המשותף לסידורים הממדים הללו הוא קיומם של צירים, אשר בתורת המיתרים הם חלקיקים המתפתלים סביב חלק מממדים מכורבלים ונתקעים.
מה שכן, תורת המיתרים לא מנבאת רק ציר אחד אלא פוטנציאל למאות סוגים שונים, במגוון המונים, כולל הציר העשוי להופיע בתחזיות התיאורטיות של הכוח הגרעיני החזק.
מיתרים מטופשים
אז יש לנו המון סוגים חדשים של חלקיקים עם כל מיני המונים. גדול! האם צירים יכולים להרכיב חומר אפל, שנראה כי הוא אחראי למתן גלקסיות את רוב המסה שלהם, אך לא ניתן לאתר אותם באמצעות טלסקופים רגילים? אולי; זו שאלה פתוחה. אולם ציר-פנים-כה-חומר צריך להתמודד עם כמה מבחני תצפית מאתגרים, כך שחוקרים מסוימים במקום זאת מתמקדים בקצה הקל יותר של משפחות הצירונים, ובוחנים דרכים למצוא אותם.
וכשאותם חוקרים מתחילים להתעמק בהתנהגותם החזויה של צירי משקל הנוצות הללו ביקום המוקדם, הם מוצאים משהו מדהים באמת. ברגעים הראשונים ביותר בתולדות הקוסמוס שלנו, היקום עבר מעברים שלביים, שינה את כל אופיו ממצבים אקזוטיים בעלי אנרגיה גבוהה למדינות רגילות באנרגיה נמוכה.
במהלך אחד ממעברים פאזיים אלה (שהתרחשו כאשר היקום היה בן פחות משנייה), הצירים של תורת המיתרים לא הופיעו כחלקיקים. במקום זאת הם נראו כמו לולאות וקווים - רשת של מיתרים קלים, כמעט בלתי נראים, חוצים את הקוסמוס.
שום ציר-כיוון היפותטי זה, המלא במגוון מיתרי ציר-קל קלים, לא ניבא שום תיאוריה אחרת של הפיזיקה אלא תורת המיתרים. לכן, אם נקבע שאנו חיים במתחם אקסיברס, זה יועיל לתורת המיתרים.
שינוי באור
כיצד נוכל לחפש את מיתרי הציר האותיים? דגמים מנבאים שלמחרוזות הציריקה יש מסה נמוכה מאוד, כך שאור לא יתקל בציר ומתכופף, או שצירים ככל הנראה לא יתערבבו עם חלקיקים אחרים. יכול להיות שיהיו מיליוני מיתרי ציר לאורך צפת החלב ברגע זה, ולא נראה אותם.
אבל היקום ישן וגדול, ואנחנו יכולים להשתמש בזה לטובתנו, במיוחד ברגע שאנו מכירים בכך שהיקום גם הוא עם תאורה אחורית.
רקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) הוא האור העתיק ביותר ביקום, שנפלט כשהיה רק תינוק - כבן 380,000 שנה. האור הזה הספיג את היקום במשך כל מיליארדי השנים הללו, מסנן את הקוסמוס עד שהוא סוף סוף פוגע במשהו, כמו טלסקופ המיקרוגל שלנו.
לכן, כשאנחנו מסתכלים על ה- CMB, אנו רואים את זה דרך היקום של מיליארדי שנות אור. זה כמו להסתכל בזוהר של פנס דרך סדרת קורי עכביש: אם יש רשת של מיתרי ציר המושרשים דרך הקוסמוס, אנו יכולים להבחין בהם.
במחקר שפורסם לאחרונה, שהתפרסם במאגר ה- arXiv ב- 5 בדצמבר, שלישת חוקרים חישבה את ההשפעה שיש לאקסיוורס על אור CMB. הם גילו כי, תלוי איך מעט אור עובר ליד מחרוזת ציר מסוימת, הקיטוב של האור הזה יכול להשתנות. הסיבה לכך היא שאור ה- CMB (וכל האור) עשוי מגלים של שדות חשמליים ומגנטיים, וקיטוב האור אומר לנו כיצד מכוונים השדות החשמליים - דבר שמשתנה כאשר אור ה- CMB נתקל בציר. אנו יכולים למדוד את הקיטוב של אור ה- CMB על ידי העברת האות דרך פילטרים מיוחדים, ומאפשרים לנו לבחור את האפקט הזה.
החוקרים גילו כי ההשפעה הכוללת על ה- CMB מהיקום המלא בחוטים הציגה שינוי קיטוב בסביבות 1%, שנמצא ממש על סף מה שאנו יכולים לגלות כיום. אך כעת מתכננים מיפוי CMB עתידי, כמו לווייני הקוסם, הלוויין (אור) ללימודי קיטוב במצב B ואינפלציה מרקע קוסמי מאת איתור קרינה (LiteBIRD) ו- Explorer Primla-Inflations (PIXIE). טלסקופים עתידניים אלה יוכלו לרחרח את האקסיברי. וברגע שהמפים האלה יגיעו לרשת, נגלה שאנחנו חיים בסביבה או נפסל את התחזית הספציפית הזו של תורת המיתרים.
כך או כך, יש הרבה מה להתיר.
פול מ. סוטר הוא אסטרופיסיקאי באוניברסיטת מדינת אוהיו, מארח שלתשאל איש חלל ורדיו שטח, ומחברמקומך ביקום.
