W pierwszej chwili wszechświata wszystko było gorące, gęste i idealnie zrównoważone. Nie było żadnych cząstek, jakie moglibyśmy je zrozumieć, a tym bardziej żadnych gwiazd, a nawet próżni, która przenika dziś przestrzeń. Całą przestrzeń wypełniały jednorodne, bezkształtne, ściśnięte rzeczy.
Potem coś się poślizgnęło. Cała ta monotonna stabilność stała się niestabilna. Materia zwyciężyła swojego dziwnego kuzyna, antymaterię i zdominowała całą przestrzeń. Chmury tej materii uformowały się i zapadły w gwiazdy, które zostały zorganizowane w galaktyki. Wszystko, o czym wiemy, zaczęło istnieć.
Co się stało, że wywrócił wszechświat ze stanu bez formy?
Naukowcy wciąż nie są pewni. Ale naukowcy wymyślili nowy sposób modelowania w laboratorium rodzaju defektu, który mógł spowodować wielką nierównowagę wczesnego wszechświata. W nowym artykule, opublikowanym dzisiaj (16 stycznia) w czasopiśmie Nature Communications, naukowcy wykazali, że mogą użyć przechłodzonego helu do modelowania tych pierwszych chwil istnienia - w szczególności do odtworzenia jednego możliwego zestawu warunków, które mogły istnieć właśnie po Wielkim Wybuchu.
Ma to znaczenie, ponieważ wszechświat jest pełen równoważących się działań, które fizycy nazywają „symetriami”.
Kilka głównych przykładów: Równania fizyki działają w ten sam sposób zarówno do przodu, jak i do tyłu w czasie. We wszechświecie jest wystarczająco dużo dodatnio naładowanych cząstek, aby anulować wszystkie ujemnie naładowane cząstki.
Ale czasami symetrie się psują. Idealna kula wyważona na końcu igły spada w jedną lub drugą stronę. Dwie identyczne strony magnesu rozdzielają się na biegun północny i południowy. Materia wygrywa z antymaterią we wczesnym wszechświecie. Konkretne podstawowe cząstki wyłaniają się z bezforemności wczesnego wszechświata i oddziałują ze sobą za pomocą dyskretnych sił.
„Jeśli weźmiemy pod uwagę istnienie Wielkiego Wybuchu, wszechświat bez wątpienia przeszedł pewne przełomowe przemiany” - powiedział Live Science Jere Mäkinen, główny autor badania i doktorant na Uniwersytecie Aalto w Finlandii.
Potrzebujesz dowodu? Wszystko wokół nas. Każdy stół, krzesło, galaktyka i dziobak wystawiony na kaczki są dowodem, że coś wywróciło wczesny wszechświat z jego wczesnego, płaskiego stanu i do jego obecnej złożoności. Jesteśmy tutaj zamiast być potencjalnymi w jednolitej pustce. Coś złamało tę symetrię.
Fizycy nazywają niektóre przypadkowe fluktuacje, które łamią symetrię, „defektami topologicznymi”.
Zasadniczo defekty topologiczne to miejsca, w których coś chwieje się w skądinąd jednolitym polu. Nagle pojawia się zakłócenie. Może się to zdarzyć z powodu zakłóceń zewnętrznych, takich jak eksperyment laboratoryjny. Lub może się zdarzyć losowo i tajemniczo, jak podejrzewają naukowcy we wczesnym wszechświecie. Gdy powstanie defekt topoligiczny, może siedzieć na środku jednolitego pola, jak głaz, tworząc fale w gładkim strumieniu.
Niektórzy badacze uważają, że określone rodzaje defektów topologicznych w bezkształtnym materii wczesnego wszechświata mogły odegrać rolę w tych pierwszych przełomach symetrii. Wady te mogły obejmować struktury zwane „wirami pół-kwantowymi” (wzory energii i materii, które wyglądają trochę jak wiry) oraz „ściany ograniczone sznurkami” (struktury magnetyczne wykonane z dwuwymiarowych ścian ograniczonych po obu stronach dwoma jedno- „ciągi wymiarowe”). Te spontanicznie powstające struktury wpływają na przepływ materii w układach skądinąd symetrycznych, a niektórzy badacze podejrzewają, że struktury te odegrały rolę w zlepianiu się wszechświata w gwiazdy i galaktyki, które widzimy dzisiaj.
Naukowcy wcześniej stworzyli tego rodzaju defekty w polach magnetycznych przechłodzonych gazów i nadprzewodników w swoich laboratoriach. Ale wady pojawiły się indywidualnie. Według Mäkinena większość teorii wykorzystujących defekty topologiczne do wyjaśnienia powstania współczesnego wszechświata obejmuje defekty „kompozytowe” - więcej niż jedna defekt działa wspólnie.
Mäkinen i jego współautorzy zaprojektowali eksperyment z udziałem ciekłego helu schłodzonego do ułamków stopnia powyżej zera absolutnego i ściśniętego do małych komór. W ciemności tych małych pudełek w przechłodzonym helu pojawiły się półkwantowe wiry.
Następnie naukowcy zmienili warunki helu, powodując, że przechodzi on szereg przejść fazowych między dwoma różnymi rodzajami nadciekłości lub płynami bez lepkości. Są to przejścia fazowe podobne do przemiany wody ze ciała stałego w ciecz lub gaz, ale w znacznie bardziej ekstremalnych warunkach.
Przejścia fazowe powodują przerwanie symetrii. Na przykład ciekła woda jest pełna cząsteczek, które mogą orientować się w wielu różnych kierunkach. Ale zamroź tę wodę, a molekuły zostaną zablokowane w określonych pozycjach. Podobne przerwy w symetrii zdarzają się w przejściowych przejściach fazowych w eksperymentach.
Mimo to, po przejściu przez superfluid helu przez przemiany fazowe, wiry pozostały - chronione ścianami ograniczonymi sznurkami. Wiry i ściany tworzyły razem złożone defekty topologiczne i przetrwały przejścia fazowe łamiące symetrię. W ten sposób naukowcy napisali w artykule, że obiekty te odzwierciedlają defekty sugerowane przez niektóre teorie we wczesnym wszechświecie.
Czy to oznacza, że Mäkinen i jego współautorzy odkryli, jak symetria pękła we wczesnym wszechświecie? Absolutnie nie. Ich model pokazał tylko, że pewne aspekty „wielkich zunifikowanych teorii” o tym, jak kształtował się wczesny wszechświat, można odtworzyć w laboratorium - w szczególności części tych teorii, które dotyczą wad topologicznych. Żadna z tych teorii nie jest powszechnie akceptowana przez fizyków, a wszystko to może być wielkim teoretycznym ślepym zaułkiem.
Ale praca Mäkinena otwiera drzwi do dalszych eksperymentów mających na celu zbadanie, w jaki sposób tego rodzaju defekty mogły ukształtować moment po Wielkim Wybuchu. I te badania zdecydowanie uczą naukowców czegoś nowego w dziedzinie kwantowej, powiedział. Pozostaje otwarte pytanie: czy fizycy kiedykolwiek jednoznacznie połączą te szczegóły dotyczące małego świata kwantowego z zachowaniem całego wszechświata?
