Še v prvem trenutku vesolja je bilo vse vroče in gosto in v popolnem ravnovesju. Ni bilo delcev, kot smo jih razumeli, še manj zvezd ali celo vakuuma, ki danes prežema vesolje. Celoten prostor je bil napolnjen s homogenimi, brezformnimi, stisnjenimi stvarmi.
Nato je nekaj zdrsnilo. Vsa ta monotona stabilnost je postala nestabilna. Matter je zmagal nad svojim čudnim bratrancem, antimaterijo in prišel prevladovati nad vesoljem. Oblaki te materije so se tvorili in strnili v zvezde, ki so postale organizirane v galaksije. Vse, kar vemo, je začelo obstajati.
Torej, kaj se je zgodilo, da je vesolje izpadlo iz svojega brezformnega stanja?
Znanstveniki še vedno niso prepričani. Toda raziskovalci so ugotovili nov način, kako v laboratoriju modelirati takšno okvaro, ki bi lahko povzročila veliko neuravnoteženost zgodnjega vesolja. V novem prispevku, objavljenem danes (16. januarja) v reviji Nature Communications, so znanstveniki pokazali, da lahko s prekomernim ohlajenim helijem modelirajo tiste prve trenutke obstoja - predvsem za ponovno ustvarjanje enega možnega niza pogojev, ki so morda obstajali samo po velikem udaru.
To je pomembno, ker je vesolje polno ravnovesnih dejanj, ki jih fiziki imenujejo "simetrije".
Nekaj pomembnih primerov: Fizične enačbe časovno delujejo enako, tako naprej kot nazaj. V vesolju je ravno dovolj pozitivno nabitih delcev, da lahko odpovemo vse negativno nabito delce.
Toda včasih se simetrije zlomijo. Popolna krogla, uravnotežena na konici igle, tako ali drugače pade. Dve enaki strani magneta se ločita na severni in južni pol. Zadeva je v zgodnjem vesolju premagala antimaterijo. Specifični temeljni delci izhajajo iz brezobličnosti zgodnjega vesolja in med seboj delujejo z diskretnimi silami.
"Če vzamemo obstoj Velikega poka, je vesolje nedvomno doživelo nekaj prehodov simetrije," je za Live Science povedal Jere Mäkinen, glavni avtor študije in doktorski študent na univerzi Aalto na Finskem.
Potrebujete dokaz? Vse okoli nas je. Vsaka miza in stol ter galaksija in račkasta plošča je dokaz, da je nekaj vesoljnega preusmerilo iz njegovega zgodnjega, ravnega stanja in v njegovo trenutno kompleksnost. Tu smo, namesto da bi bili potenciali v enotni praznini. Torej, nekaj je prelomilo to simetrijo.
Fiziki nekateri naključna nihanja, ki simetrijo lomijo, imenujejo "topološke pomanjkljivosti."
V bistvu so topološke okvare mesta, kjer na drugače enakomernem področju nekaj zmede. Kar naenkrat se pojavi motnja. To se lahko zgodi zaradi zunanjih motenj, kot v laboratorijskem poskusu. Lahko pa se zgodi naključno in skrivnostno, kot znanstveniki sumijo, da se je zgodilo v zgodnjem vesolju. Ko nastane topološka okvara, lahko sedi sredi enotnega polja, kot balvan, ki v gladkem toku ustvarja valovanja.
Nekateri raziskovalci verjamejo, da so lahko nekatere vrste topoloških napak v brezformnih stvareh zgodnjega vesolja igrale vlogo pri prvih prehodih, ki so razbijali simetrijo. Te pomanjkljivosti so lahko vključevale strukture, imenovane "polkvantni vrtinci" (vzorci energije in snovi, ki so nekako podobni vrtincem) in "stene, omejene z strunami" (magnetne strukture, izdelane iz dvodimenzionalnih sten, ki so na obeh straneh omejene z dvema enoprostorcem, dimenzijske "strune"). Te spontano nastajajoče strukture vplivajo na tok snovi v sicer simetričnih sistemih, nekateri raziskovalci pa sumijo, da so te strukture igrale vlogo pri združevanju vesolja v zvezde in galaksije, ki jih vidimo danes.
Raziskovalci so že prej ustvarili tovrstne napake v magnetnih poljih prehlajenih plinov in superprevodnikov v svojih laboratorijih. Toda pomanjkljivosti so se pojavile posamično. Mäkinen je povedal, da večina teorij, ki topološke napake razlagajo za nastanek sodobnega vesolja, vključuje "sestavljene" pomanjkljivosti - več kot ena napaka, ki deluje skladno.
Mäkinen in njegovi soavtorji so zasnovali poskus, ki je vključeval tekoči helij, ohlajen na frakcije stopnje nad absolutno ničlo in stisnjen v drobne komore. V temi teh majhnih škatel so se v prehlajenem heliju pojavili polovični kvantni vrtinci.
Nato so raziskovalci spremenili pogoje helija, zaradi česar je šel skozi vrsto faznih prehodov med dvema različnima vrstama tekočin ali tekočinami brez viskoznosti. To so fazni prehodi, podobni vodi, ki se iz trdne snovi pretvori v tekočino ali plin, vendar pod veliko bolj ekstremnimi pogoji.
Fazni prehodi povzročijo, da se simetrija zlomi. Na primer, tekoča voda je polna molekul, ki se lahko orientirajo v različnih smereh. Toda zamrznite to vodo in molekule se v določenih položajih zaskočijo. Podobni prelomi simetrije se zgodijo s faznimi prehodi presežne tekočine.
Kljub temu, da je presežni tekoč helij prestopil skozi fazne prehode, so vrtinci ostali zaščiteni s stenami, omejenimi z strunami. Vrtici in stene so skupaj tvorili sestavljene topološke okvare in preživeli fazni prehod simetrije, ki ruši simetrijo. Tako so raziskovalci zapisali v prispevku, da so ti predmeti zrcalili pomanjkljivosti, za katere nekatere teorije kažejo, da so nastale v zgodnjem vesolju.
Ali to pomeni, da sta Mäkinen in njegovi soavtorji ugotovili, kako se je simetrija zlomila v zgodnjem vesolju? Absolutno ne. Njihov model je pokazal le, da se nekateri vidiki "velikih poenotenih teorij" o tem, kako je zgodnje vesolje dobilo svojo obliko, lahko ponovijo v laboratoriju - predvsem deli tistih teorij, ki vključujejo topološke pomanjkljivosti. Nobena od teh teorij fizike ne sprejema splošno, kar bi lahko pomenilo veliko teoretično slepo ulico.
Toda Mäkinenovo delo odpira vrata za več eksperimentov, da bi raziskali, kako so te vrste pomanjkljivosti morda delovale v oblikovanju trenutkov po velikem udaru. In te študije zagotovo naučijo znanstvenike nekaj novega o kvantnem kraljestvu, je dejal. Odprto vprašanje ostaja: Ali bodo fiziki te podrobnosti o drobnem kvantnem svetu kdaj dokončno povezali z obnašanjem celotnega vesolja?
