În primul moment al universului, totul era fierbinte și dens și într-un echilibru perfect. Nu existau particule așa cum le-am înțelege, cu atât mai puțin stele sau chiar vidul care pătrunde în spațiu astăzi. Întregul spațiu a fost umplut cu materiale comprimate omogene, fără formă, comprimate.
Apoi, ceva a alunecat. Toată acea stabilitate monotonă a devenit instabilă. Materia a câștigat peste vărul său ciudat, antimaterie și a ajuns să domine întreg spațiul. Nori din această materie s-au format și s-au prăbușit în stele, care au devenit organizate în galaxii. Tot ce știm despre noi a început să existe.
Deci, ce sa întâmplat pentru a scoate universul din starea sa de formă?
Oamenii de știință încă nu sunt siguri. Dar cercetătorii și-au dat seama de o nouă modalitate de a modela într-un laborator felul de defecte care ar fi putut cauza marele dezechilibru al universului timpuriu. Într-o nouă lucrare, publicată astăzi (16 ianuarie) în jurnalul Nature Communications, oamenii de știință au arătat că pot folosi heliu supraînvelit pentru modelarea acelor prime momente ale existenței - în mod special, pentru a recrea un set posibil de condiții care ar fi putut exista doar după Big Bang.
Asta contează pentru că universul este plin de acte de echilibrare pe care fizicienii le numesc „simetrii”.
Câteva exemple majore: Ecuațiile fizice funcționează la fel atât înainte cât și înapoi în timp. Există destul de multe particule încărcate pozitiv în univers pentru a anula toate particulele încărcate negativ.
Dar uneori, simetriile se rup. O sferă perfectă echilibrată pe vârful unui ac cade într-un fel sau altul. Două laturi identice ale unui magnet se separă în poli de nord și de sud. Materia câștigă peste antimaterie în universul timpuriu. Particule fundamentale specifice ies din lipsa de formă a universului timpuriu și interacționează între ele prin forțe discrete.
„Dacă luăm existența Big Bang-ului așa cum s-a oferit, universul a suferit, fără îndoială, niște tranziții de rupere a simetriei”, a declarat Live Science Jere Mäkinen, autorul principal al studiului și doctorand la Universitatea Aalto din Finlanda.
Ai nevoie de dovezi? Este în jurul nostru. Fiecare masă și scaun și galaxie și platou cu factură de rață este o dovadă că ceva a scos universul timpuriu din starea sa timpurie, plană și în complexitatea sa actuală. Suntem aici în loc să fim potențiali într-un gol uniform. Deci, ceva a rupt acea simetrie.
Fizicienii numesc unele dintre fluctuațiile aleatorii care rup simetria „defecte topologice”.
În esență, defectele topologice sunt pete în care ceva se întâmplă neplăcut într-un câmp altfel uniform. O dată, apare o întrerupere. Acest lucru se poate întâmpla din cauza interferențelor exterioare, ca într-un experiment de laborator. Sau se poate întâmpla la întâmplare și în mod misterios, așa cum suspectează oamenii de știință în universul timpuriu. Odată ce se formează un defect topoligical, acesta se poate așeza în mijlocul unui câmp uniform, ca un bolovan care creează ondulări într-un flux neted.
Unii cercetători consideră că anumite tipuri de defecte topologice din lucrurile fără formă ale universului timpuriu ar fi putut juca un rol în acele prime tranziții de rupere a simetriei. Aceste defecte ar fi putut include structuri numite „vortice semicantice” (tipare de energie și materie care seamănă un pic cu vârtejurile) și „pereți delimitați cu șiruri” (structuri magnetice realizate din pereți bidimensionali delimitați pe ambele părți de două unu-unu). „șiruri” dimensionale). Aceste structuri care apar în mod spontan afectează fluxul de materie în sisteme altfel simetrice, iar unii cercetători suspectează că aceste structuri au jucat un rol în aglomerarea universului în stele și galaxii pe care le vedem astăzi.
Cercetătorii au creat anterior aceste tipuri de defecte în câmpurile magnetice ale gazelor supracolorate și a supraconductorilor din laboratoarele lor. Dar defectele au apărut individual. Majoritatea teoriilor care folosesc defecte topologice pentru a explica originea universului modern implică defecte „compozite”, a spus Mäkinen - mai mult de un defect care funcționează în concert.
Mäkinen și coautorii săi au proiectat un experiment care a cuprins heliu lichid răcit la fracții de un grad peste zero absolut și s-au strecurat în camere minuscule. În întunericul acelor micuțe cutii au apărut vortice pe jumătate cuantice în heliul supraînvelit.
Apoi, cercetătorii au schimbat condițiile heliului, determinând să treacă printr-o serie de tranziții de fază între două tipuri diferite de superfluide sau lichide fără vâscozitate. Acestea sunt tranziții de fază asemănătoare cu transformarea apei dintr-un solid într-un lichid sau un gaz, dar în condiții mult mai extreme.
Tranzițiile de fază determină ruperea simetriei. De exemplu, apa lichidă este plină de molecule care se pot orienta în multe direcții diferite. Dar înghețați apa, iar moleculele se blochează pe loc în anumite poziții. Pauze similare în simetrie se întâmplă cu tranzițiile în faza superfluidă din experimente.
Totuși, după ce heliul superfluid a trecut prin tranzițiile sale de fază, vârtejurile au rămas - protejate de pereți delimitați de șiruri. Împreună, vârfurile și pereții au format defecte topologice compuse și au supraviețuit tranzițiilor de fază de rupere a simetriei. În acest fel, cercetătorii au scris în lucrare, aceste obiecte reflectau defecte pe care unele teorii le sugerează formate în universul timpuriu.
Aceasta înseamnă că Mäkinen și coautorii săi și-au dat seama cum s-a rupt simetria în universul timpuriu? Absolut nu. Modelul lor a arătat doar că anumite aspecte ale „teoriilor unificate mărețe” despre modul în care universul timpuriu și-a luat forma pot fi replicate într-un laborator - în mod specific, părțile acestor teorii care implică defecte topologice. Niciuna dintre aceste teorii nu este acceptată pe scară largă de către fizicieni, iar aceasta ar putea fi un mare punct teoretic.
Dar opera lui Mäkinen deschide ușa către mai multe experimente pentru a investiga modul în care aceste tipuri de defecte ar fi putut să funcționeze momentele de după Big Bang. Și aceste studii îi învață pe oameni de știință ceva nou despre tărâmul cuantic, a spus el. Întrebarea deschisă rămâne: Vor fi fizicienii vreodată legătura concludentă a acestor detalii despre minusculă lume cuantică și comportamentul întregului univers?
