Pirmajā Visuma brīdī viss bija karsts, blīvs un pilnīgā līdzsvarā. Nebija nevienas daļiņas, kā mēs tās būtu sapratušas, vēl jo vairāk nekā zvaigznes vai pat vakuums, kas mūsdienās caurstrāvo kosmosu. Visa telpa bija piepildīta ar viendabīgiem, bez formas, saspiestiem izstrādājumiem.
Tad kaut kas paslīdēja. Visa šī vienmuļā stabilitāte kļuva nestabila. Matter uzvarēja pār savu dīvaino māsīcu, antimateriālu, un sāka dominēt visā telpā. Mākoņi no šī jautājuma veidojās un sabruka zvaigznēs, kuras kļuva par galaktikām. Viss, par ko mēs zinām, sāka pastāvēt.
Kas notika, lai izslēgtu Visumu no tā bezveidīgā stāvokļa?
Zinātnieki joprojām nav pārliecināti. Bet pētnieki ir izdomājuši jaunu veidu, kā modelēt laboratorijā tāda veida defektu, kas varēja izraisīt agrīnā Visuma lielo nesabalansētību. Jaunajā rakstā, kas šodien (16. janvārī) tika publicēts žurnālā Nature Communications, zinātnieki parādīja, ka viņi var izmantot pārdzesētu hēliju, lai modelētu šos pirmos eksistences mirkļus - konkrēti, lai no jauna izveidotu vienu iespējamo apstākļu kopumu, kas, iespējams, pastāvēja tieši pēc Lielā sprādziena.
Tas ir svarīgi, jo Visums ir pilns ar līdzsvarojošām darbībām, kuras fiziķi sauc par "simetrijām".
Daži galvenie piemēri: Fizikas vienādojumi darbojas vienādi gan laika virzienā uz priekšu, gan atpakaļ. Visumā ir pietiekami daudz pozitīvi lādētu daļiņu, lai atceltu visas negatīvi lādētās daļiņas.
Bet dažreiz simetrijas sabojājas. Ideāla sfēra, kas līdzsvarota adatas galā, krīt vienā vai otrā virzienā. Divas identiskas magnēta puses atdalās ziemeļu un dienvidu polos. Jautājums agrīnajā Visumā uzvar pār antimatēriju. Konkrētas pamatdaļiņas rodas no agrīnā Visuma bezveidības un savstarpēji mijiedarbojas ar diskrētu spēku palīdzību.
"Ja mēs uztveram lielā sprādziena esamību, kā norādīts, Visums neapšaubāmi ir piedzīvojis dažas simetriju sagraujošas pārejas," Jere Mäkinen, pētījuma galvenā autore un Aalto universitātes doktorants Somijā, pastāstīja Live Science.
Nepieciešams pierādījums? Tas ir mums visapkārt. Katrs galds un krēsls, kā arī galaktika un pīļu pīļknābis ir pierādījums tam, ka kaut kas agrīnajam Visumam izgāja no agrīnā, līdzenā stāvokļa un pašreizējā sarežģītībā. Mēs esam šeit, nevis esam vienveidīgā tukšumā. Tātad kaut kas salauza šo simetriju.
Fiziķi dažas nejaušās svārstības, kas sagrauj simetriju, sauc par "topoloģiskiem defektiem".
Pēc būtības topoloģiski defekti ir vietas, kur kaut kas vienalga notiek vienveidīgā laukā. Vienlaicīgi rodas traucējumi. Tas var notikt ārējas iejaukšanās dēļ, piemēram, laboratorijas eksperimentā. Vai arī tas var notikt nejauši un noslēpumaini, tāpat kā zinātniekiem ir aizdomas, ka tas noticis agrīnajā Visumā. Tiklīdz veidojas topoloģiskais defekts, tas var atrasties vienveidīga lauka vidū, piemēram, laukakmens, veidojot ripples vienmērīgā straumē.
Daži pētnieki uzskata, ka īpašajiem topoloģisko defektu veidiem agrīnā Visuma bezveidīgajos materiālos varētu būt bijusi loma šajās pirmajās simetriju sagraujošajās pārejās. Iespējams, ka šie defekti ietvēra struktūras, kuras sauc par "puskvantu virpuļiem" (enerģijas un matērijas raksti, kas nedaudz izskatās kā virpuļbaseini) un "sienas, ko ierobežo stīgas" (magnētiskas struktūras, kas izgatavotas no divdimensiju sienām, kuras abās pusēs norobežo divi vienveidīgi - dimensiju "stīgas"). Šīs spontāni veidojošās struktūras ietekmē matērijas plūsmu citādi simetriskās sistēmās, un dažiem pētniekiem ir aizdomas, ka šīm struktūrām bija loma Visuma salīmēšanā zvaigznēs un galaktikās, kuras mēs šodien redzam.
Pētnieki iepriekš bija izveidojuši šāda veida defektus pārdzesētu gāzu un supravadītāju magnētiskajos laukos savās laboratorijās. Bet trūkumi parādījās individuāli. Lielākā daļa teoriju, kurās topoloģiskie defekti tiek izmantoti, lai izskaidrotu mūsdienu visumu, ir saistīti ar "saliktiem" defektiem, sacīja Mäkinens - vairāk nekā viens defekts, kas darbojas kopā.
Mäkinens un viņa līdzautori izstrādāja eksperimentu, kurā iesaistīja šķidru hēliju, kas atdzesēts līdz frakcijām virs absolūtās nulles un iespiests sīkās kamerās. Šo mazo kastu tumsā pārdzesētajā hēlijā parādījās puskvantu virpuļi.
Pēc tam pētnieki mainīja hēlija apstākļus, liekot tam iziet fāžu pāreju virkni starp diviem dažādiem superšķidrumiem vai šķidrumiem bez viskozitātes. Tās ir fāzes pārejas, kas līdzinās ūdenim, pārvēršoties no cietas vielas šķidrumā vai gāzē, bet daudz ekstrēmākos apstākļos.
Fāžu pārejas dēļ simetrija sabojājas. Piemēram, šķidrais ūdens ir pilns ar molekulām, kas var orientēties daudzos dažādos virzienos. Bet sasaldējiet šo ūdeni, un molekulas fiksējas savā vietā noteiktā stāvoklī. Līdzīgi simetrijas pārtraukumi notiek ar superfluid fāžu pārejām eksperimentos.
Tomēr pēc tam, kad superflīdā hēlija bija izgājusi cauri fāžu pārejām, virpuļi palika - aizsargāti ar sienām, kuras norobežoja stīgas. Kopā virpuļi un sienas veidoja saliktus topoloģiskos defektus un izdzīvoja simetriju sagraujošās fāžu pārejas. Tādā veidā pētnieki rakstīja dokumentā, šie objekti atspoguļoja trūkumus, kurus dažas teorijas liek domāt, ka tie izveidojās agrīnajā Visumā.
Vai tas nozīmē, ka Mäkinens un viņa līdzautori ir izdomājuši, kā simetrija sabrukusi agrīnajā Visumā? Noteikti nē. Viņu modelis parādīja tikai to, ka laboratorijā var atkārtot dažus "grandiozu vienotu teoriju" aspektus par to, kā agrīnais Visums ieguva savu formu - jo īpaši to teoriju daļas, kas saistītas ar topoloģiskiem defektiem. Neviena no šīm teorijām nav plaši pieņēmusi fiziķi, un tas viss varētu būt liels teorētiskais strupceļš.
Bet Mäkinena darbs paver iespējas vēl vairākiem eksperimentiem, lai izpētītu, kā šie defekti varēja būt izmantoti, lai veidotu mirkļus pēc Lielā sprādziena. Viņš teica, ka šie pētījumi zinātniekiem noteikti māca kaut ko jaunu par kvantu valstību. Atklātais jautājums paliek: vai fiziķi kādreiz pārliecinoši sasaistīs šo informāciju par niecīgo kvantu pasauli ar visa Visuma izturēšanos?
