Ще в першу мить Всесвіту все було гарячим і щільним і в ідеальному рівновазі. Не було жодної частинки, як ми їх розуміли, тим більше жодної зірки або навіть вакууму, який пронизує простір сьогодні. Весь простір був заповнений однорідними, безформними, стислими речами.
Потім щось прослизнуло. Вся ця монотонна стабільність стала нестабільною. Матерія виграла свого дивного двоюрідного брата, антиматерію, і стала домінувати над усім космосом. Хмари цієї речовини утворилися і розвалилися на зірки, які стали організованими в галактики. Все, про що ми знаємо, почало існувати.
Отже, що сталося, щоб вивести всесвіт із свого безформного стану?
Вчені досі не впевнені. Але дослідники придумали новий спосіб моделювання в лабораторії такого роду дефекту, який міг би викликати велику неврівноваженість раннього Всесвіту. У новому документі, опублікованому сьогодні (16 січня) у журналі Nature Communications, вчені показали, що вони можуть використовувати переохолоджений гелій для моделювання тих перших моментів існування, зокрема, для відновлення одного можливого набору умов, які, можливо, існували просто після Великого вибуху.
Це важливо, оскільки Всесвіт сповнена врівноважуючих актів, які фізики називають "симетріями".
Деякі основні приклади: рівняння фізики працюють однаково і вперед, і назад у часі. У Всесвіті достатньо позитивно заряджених частинок, щоб скасувати всі негативно заряджені частинки.
Але іноді симетрії порушуються. Ідеальна сфера, збалансована на кінчику голки, падає так чи інакше. Дві однакові сторони магніту розділені на північний і південний полюси. Матерія виграє проти антиматерії в ранньому Всесвіті. Конкретні фундаментальні частинки виходять із безформованості раннього Всесвіту і взаємодіють між собою за допомогою дискретних сил.
"Якщо взяти існування Великого вибуху як дане, Всесвіт, безсумнівно, зазнав певних переходів, що порушують симетрію", - сказав Джере Мекінен, провідний автор дослідження та докторант університету Аалто у Фінляндії, Live Science.
Вам потрібні докази? Це все навколо нас. Кожен стіл та стілець, галактика та качка з качками є свідченням того, що щось перевернуло ранній Всесвіт із його раннього, плоского стану та до його нинішньої складності. Ми тут, замість того, щоб бути потенціалами в єдиній порожнечі. Отже, щось порушило цю симетрію.
Фізики називають деякі випадкові коливання, які порушують симетрію, "топологічними дефектами".
По суті, топологічні дефекти - це плями, де щось стає непростим в інакше рівномірному полі. Відразу виникає зрив. Це може статися через зовнішні втручання, як у лабораторному експерименті. Або це може статися випадково і загадково, як вчені підозрюють, що це сталося в ранньому Всесвіті. Як тільки утворюється тополігічний дефект, він може сидіти посеред рівномірного поля, як валун, створюючи брижі в плавному потоці.
Деякі дослідники вважають, що конкретні види топологічних дефектів у безформованому матеріалі раннього Всесвіту, можливо, зіграли певну роль у цих перших переходах, що порушують симетрію. Ці дефекти, можливо, включали структури, які називаються "напівквантовими вихорами" (структури енергії та матерії, схожі на вир) та "стіни, обмежені струнами" (магнітні структури, виготовлені з двовимірних стін, обмежених з обох боків двома одно- розмірних «рядків»). Ці спонтанно виникаючі структури впливають на потік речовини в симметричних системах, і деякі дослідники підозрюють, що ці структури відігравали певну роль у злитті Всесвіту у зірки та галактики, які ми бачимо сьогодні.
Раніше дослідники створювали подібні дефекти магнітних полів переохолоджених газів та надпровідників у своїх лабораторіях. Але дефекти з’явились індивідуально. Більшість теорій, які використовують топологічні дефекти для пояснення походження сучасного Всесвіту, включають "складені" дефекти, зазначає Мякінен, - не один дефект, що працює у згоді.
Мекінен та його співавтори розробили експеримент, що охолоджував рідкий гелій, охолоджений на фракції градусів вище абсолютного нуля і видавлював у крихітні камери. У темряві цих маленьких ящиків у переохолодженому гелії з’явилися напівквантові вихори.
Потім дослідники змінили умови гелію, змусивши його пройти ряд фазових переходів між двома різними видами надлишків або рідин без в'язкості. Це фазові переходи, схожі на перетворення води з твердого речовини в рідину або газ, але в набагато більш екстремальних умовах.
Фазові переходи призводять до порушення симетрії. Наприклад, рідка вода повна молекул, які можуть орієнтуватися у багатьох різних напрямках. Але заморозьте цю воду, і молекули зафіксуються на своїх місцях у певних положеннях. Подібні розриви симетрії трапляються із надлишковими фазовими переходами в експериментах.
Однак після того, як надлишковий гелій пройшов фазові переходи, вихори залишилися - захищеними стінами, обмеженими струнами. Разом вихори та стіни утворювали складові топологічні дефекти та переживали фазові переходи симетрії. Таким чином, в статті писали дослідники, ці об'єкти відображають дефекти, які деякі теорії припускають, що сформувалися у ранньому Всесвіті.
Чи означає це, що Мякінен та його співавтори з'ясували, як порушується симетрія у ранньому Всесвіті? Абсолютно не. Їх модель показала лише те, що певні аспекти "грандіозних уніфікованих теорій" того, як ранній Всесвіт набув свого вигляду, можуть бути реплікані в лабораторії - конкретно, частинах тих теорій, які стосуються топологічних дефектів. Фізики не сприймають жодної з цих теорій, і все це може бути великою теоретичною тупиком.
Але робота Мякінена відкриває двері для проведення додаткових експериментів, щоб дослідити, як подібні дефекти, можливо, спрацювали для формування моментів після Великого вибуху. І ці дослідження безумовно навчають вчених чогось нового щодо квантової сфери, сказав він. Залишається відкритим питання: Чи фізики коли-небудь переконливо пов'язуватимуть ці деталі про крихітний квантовий світ з поведінкою всього Всесвіту?
