Universumi esimesel hetkel oli kõik kuum ja tihe ning ideaalses tasakaalus. Seal ei olnud osakesi, nagu me neist aru saaksime, veelgi vähem tähti ega isegi vaakumit, mis tänapäeval ruumi läbib. Kogu ruum oli täidetud homogeense, vormitu, kokkusurutud kraamiga.
Siis libises midagi. Kogu see monotoonne stabiilsus muutus ebastabiilseks. Matter võitis oma imelise nõo, antimaterjali ja võitis kogu kosmose. Selle aine pilved moodustusid ja varisesid tähtedeks, mis organiseerusid galaktikateks. Kõik, millest me teame, hakkas eksisteerima.
Mis siis juhtus, et universum vormitu olekust välja viia?
Teadlased pole endiselt kindlad. Kuid teadlased on mõelnud välja uue viisi, kuidas modelleerida laboris sellist defekti, mis võis põhjustada varajase universumi suurt tasakaalustamatust. Uues artiklis, mis avaldati täna (16. jaanuaril) ajakirjas Nature Communications, näitasid teadlased, et nad saavad eksistentsi esimeste hetkede modelleerimiseks kasutada ülejahutatud heeliumi - konkreetselt ühe võimaliku tingimuste kogumi uuesti loomiseks, mis võisid just olemas olla pärast Suurt Pauku.
See on oluline, kuna universum on täis tasakaalustavaid tegevusi, mida füüsikud nimetavad sümmeetriateks.
Mõned peamised näited: Füüsika võrrandid toimivad ajas nii edasi kui ka tagasi samamoodi. Universumis on lihtsalt piisavalt positiivselt laetud osakesi, et kustutada kõik negatiivselt laetud osakesed.
Kuid mõnikord puruneb sümmeetria. Nõela otsas tasakaalustatud täiuslik kera langeb ühel või teisel viisil. Magneti kaks identset külge eralduvad põhja- ja lõunapooluseks. Aine võidab varajases universumis antimaterjali üle. Konkreetsed põhiosakesed väljuvad varase universumi vormistusest ja interakteeruvad üksteisega diskreetsete jõudude kaudu.
"Kui võtta suure paugu olemasolu sellisena, nagu on ette nähtud, siis on universum kahtlemata läbi teinud mõned sümmeetriat murdvad üleminekud," rääkis uuringu juhtiv autor ja Soome Aalto ülikooli doktorant Jere Mäkinen Live Science'ile.
Kas vajate tõendit? See on kõik meie ümber. Iga laud ja tool ning galaktika- ja pardiliistakud on tõendusmaterjal selle kohta, et miski kallas varajase universumi välja oma varasest tasasest olekust praegusesse keerukusesse. Me oleme siin selle asemel, et olla potentsiaalid ühtses tühjus. Midagi murdis selle sümmeetria.
Füüsikud nimetavad sümmeetriat rikkuvaid juhuslikke kõikumisi topoloogilisteks defektideks.
Põhimõtteliselt on topoloogilised vead laigud, kus muidu ühtlasel väljal läheb midagi imestunud. Korraga ilmneb häire. See võib juhtuda väliste sekkumiste tõttu, näiteks laborikatses. Või võib see juhtuda juhuslikult ja salapäraselt, nagu teadlased kahtlustavad, et see juhtus varases universumis. Kui topoligiline defekt on moodustunud, võib see istuda ühtlase välja keskel nagu rändrahn, mis tekitab sujuvas voogas.
Mõnede teadlaste arvates võisid varase universumi vormitu asja teatud tüüpi topoloogilised defektid mängida nende esimeste sümmeetriat murdvate üleminekute juures. Nende defektide hulka võisid kuuluda struktuurid, mida nimetatakse "poolkvantrilisteks keeristeks" (energia- ja mateeriamustrid, mis näevad veidi välja nagu mullivannid) ja "seintega, mis on piiratud keeltega" (kahemõõtmelistest seintest koosnevad magnetilised struktuurid, mis on mõlemalt poolt piiratud kahe ühe- mõõtmelised "stringid"). Need spontaanselt tekkivad struktuurid mõjutavad mateeria voogu teisiti sümmeetrilistes süsteemides ja mõned uurijad kahtlustavad, et need struktuurid mängisid rolli universumi kokkupanemisel tähtedeks ja galaktikateks, mida me täna näeme.
Teadlased olid varem sellist laadi defekte tekitanud oma laborites jahutatud gaaside ja ülijuhtide magnetväljades. Kuid puudused ilmnesid individuaalselt. Mäkinen ütles, et enamus teooriaid, mis kasutavad tänapäevase universumi päritolu selgitamiseks topoloogilisi defekte, hõlmavad "komposiit" defekte, ütles Mäkinen - rohkem kui üks defekt, mis töötab üheskoos.
Mäkinen ja tema kaasautorid kavandasid eksperimendi, milles vedelat heeliumi jahutati absoluutnullist kõrgemateks fraktsioonideks ja pigistati pisikestesse kambritesse. Nende väikeste kastide hämaruses tekkisid ülejahutatud heeliumisse poolkvantsed keerised.
Seejärel muutsid teadlased heeliumi tingimusi, põhjustades selle faasiüleminekute seeria kahe erinevat tüüpi supervedeliku või viskoossuseta vedeliku vahel. Need on faasiüleminekud, mis sarnanevad veest, mis muutub tahkest materjalist vedelikuks või gaasiks, kuid seda ekstreemsemates tingimustes.
Faasisiirete tagajärjel sümmeetria puruneb. Näiteks on vedel vesi täis molekule, mis võivad orienteeruda paljudes erinevates suundades. Kuid külmutage see vesi ja molekulid lukustuvad kindlates kohtades oma kohale. Sarnased sümmeetria purunemised juhtuvad eksperimentide supervedelike faasisiiretega.
Siiski, pärast ülivedeliku heeliumi faasisiirete läbimist jäid keerised - kaitstud keeltega piiratud seintega. Koos moodustasid keerised ja seinad komposiitseid topoloogilisi defekte ja jäid ellu sümmeetriat murdvad faasisiirded. Teadlased kirjutasid sel moel, et need objektid peegeldasid puudusi, mida mõned teooriad viitavad varajases universumis moodustunud olemusele.
Kas see tähendab, et Mäkinen ja tema kaasautorid on välja mõelnud, kuidas sümmeetria varajases universumis purunes? Absoluutselt mitte. Nende mudel näitas ainult seda, et varase universumi kuju kujundamise "suurejooneliste ühtsete teooriate" teatud aspekte saab laboris korrata - täpsemalt nende teooriate neid osi, mis hõlmavad topoloogilisi defekte. Ükski neist teooriatest pole füüsikute poolt laialt aktsepteeritud ja see kõik võib olla suur teoreetiline ummik.
Kuid Mäkineni teos avab ukse rohkematele katsetele, et uurida, kuidas sellised defektid võisid Suure Paugu järgset hetke kujundada. Ja need uuringud õpetavad teadlastele kvantvaldkonnas kindlasti midagi uut, ütles ta. Lahtine küsimus jääb: kas füüsikud ühendavad need pisikese kvantmaailma üksikasjad lõplikult kogu universumi käitumisega?
