A világegyetem első pillanatában minden forró volt, sűrű és tökéletes egyensúlyban volt. Nem voltak olyan részecskék, ahogyan megértettük őket, még kevésbé csillagok vagy akár a vákuum, amely ma áthatja a világot. Az egész helyet homogén, forma nélküli, tömörített anyag töltötte be.
Aztán valami megcsúszott. Mindez a monoton stabilitás instabillá vált. Az Matter különös unokatestvére, antianyag miatt nyert, és uralkodni kezdett az egész térben. Az anyag felhői csillagokká alakultak és összeomlottak, és galaxisokká szerveződtek. Minden, amiről tudunk, létezett.
Szóval, mi történt, hogy kiszorítja az univerzumot formátlan állapotából?
A tudósok még mindig nem biztosak benne. A kutatók azonban új módszert találtak arra, hogy a laboratóriumban modellezzék azt a hibát, amely a korai világegyetem nagy egyensúlyhiányát okozhatta. Egy új, ma (január 16-án) a Nature Communications folyóiratban megjelent tudósok kimutatták, hogy a hűtött héliumot felhasználhatják a létezés első pillanatainak modellezésére - konkrétan az olyan lehetséges feltételek sorozatának újbóli létrehozására, amelyek éppen létezhetnek a nagy robbanás után.
Ez azért számít, mert az univerzum tele van egyensúlyozó cselekedetekkel, amelyeket a fizikusok "szimmetriának" hívnak.
Néhány fő példa: A fizikai egyenletek ugyanúgy működnek, mind előre, mind hátra az időben. Éppen annyi pozitív töltésű részecske van az univerzumban, hogy eltávolítsa az összes negatív töltésű részecskét.
De néha a szimmetriák eltörnek. A tű végén kiegyensúlyozott tökéletes gömb úgy vagy úgy esik le. A mágnes két azonos oldala elkülönül északi és déli pólusokra. Az anyag nyeri az antianyagot a korai univerzumban. A specifikus alapvető részecskék a korai világegyetem formátlanságából származnak, és különálló erőkön keresztül kölcsönhatásba lépnek egymással.
"Ha úgy vesszük, mint ahogy a megadott nagy robbanás létezik, akkor az univerzum kétségtelenül bizonyos szimmetrikusan áttörő átmeneteken ment keresztül" - mondta a Live Sciencenek Jere Mäkinen, a tanulmány vezető szerzője és a finnországi Aalto Egyetem doktori hallgatója.
Bizonyítékra van szüksége? Minden körülöttünk van. Minden asztal és szék, valamint a galaxis és a kacsacsőrű kakukk bizonyíték arra, hogy valami a korai univerzumot kiszorította korai, lapos állapotából és jelenlegi komplexitásába. Itt vagyunk, ahelyett, hogy egységes ürességben lennénk a lehetőségek. Tehát valami megtörte ezt a szimmetriát.
A szimmetriát megtörő véletlen ingadozások egy részét a fizikusok "topológiai hibáknak" hívják.
Lényegében a topológiai hibák olyan helyek, ahol valami elsötétül egy egyébként egységes területen. Egyszerre zavar lép fel. Ez történhet külső beavatkozás miatt, például egy laboratóriumi kísérlet során. Vagy véletlenszerűen és titokzatosan történhet, amint azt a tudósok feltételezik, hogy a korai világegyetemben történt. Ha egy topoligikus hiba kialakul, akkor az egységes mező közepén ülhet, mint egy szikla, amely sima patakban hullámokat hoz létre.
Egyes kutatók úgy vélik, hogy a korai világegyetem formátlan formájának bizonyos típusú topológiai hibái szerepet játszhattak az első szimmetriát áttörő átmenetekben. Ezeknek a hibáknak tartalmazhattak "félkvantum-örvényeknek" nevezett szerkezeteket (az energia és az anyag mintái, amelyek kissé úgy néznek ki, mint a pezsgőfürdők) és "a húrok által határolt falakat" (kétdimenziós falakból álló mágneses szerkezetek, melyeket mindkét oldalán két egy- dimenziós "karakterláncok"). Ezek a spontán módon kialakuló struktúrák befolyásolják az anyagáramot az egyébként szimmetrikus rendszerekben, és egyes kutatók azt gyanítják, hogy ezek a struktúrák szerepet játszottak abban, hogy az univerzumot összekapcsolják a ma látható csillagokba és galaxisokba.
A kutatók korábban már létrehoztak ilyen típusú hibákat a túlhűtött gázok és a szupravezetők mágneses mezőiben laboratóriumaikban. De a hibák egyedileg merültek fel. A legtöbb elmélet, amely topológiai hibákat használ a modern világegyetem eredetének magyarázatára, "összetett" hibákat is magában foglal, mondja Mäkinen - egynél több hiba, amely együttesen működik.
Mäkinen és társszerzői olyan kísérletet terveztek, amelyben a folyékony héliumot abszolút nulla feletti hányadra hűtötték és apró kamrákba szorították. E kis dobozok sötétségében félkvantum örvények keletkeztek a hűtött héliumban.
Ezután a kutatók megváltoztatták a hélium körülményeit, és fázisátmenetek sorozatán mentek keresztül két különféle szuperfolyadék vagy viszkozitás nélküli folyadék között. Ezek olyan fázisátmenetek, amelyek hasonlítanak a vízre, amikor szilárd anyagból folyadék vagy gáz alakul, de sokkal szélsőségesebb körülmények között.
A fázisátmenetek a szimmetria megszakadásához vezetnek. Például a folyékony víz tele van molekulákkal, amelyek sokféle irányba orientálódhatnak. De fagyasztja le azt a vizet, és a molekulák bizonyos helyekre rögzülnek. Hasonló szimmetria törések fordulnak elő a kísérletekben a szuperfolyadék fázisátmeneteknél.
Ugyanakkor, miután a szuperfolyadék hélium átment a fázisátmeneteken, az örvények megmaradtak - húrok által határolt falak védettek. Az örvények és a falak együttesen összetett topológiai hibákat hoztak létre, és fennmaradtak a szimmetriatörő fázisátmenetek. A kutatók így írták a cikkben, hogy ezek a tárgyak olyan hibákat tükröztek, amelyeket egyes elméletek szerint a korai világegyetemben kialakultak.
Ez azt jelenti, hogy Mäkinen és társszerzői kitalálták, hogy történt a szimmetria a korai univerzumban? Egyáltalán nem. Modelleik csak azt mutatták, hogy a korai világegyetem alakjának alakulásáról szóló „nagy egységes elméletek” bizonyos aspektusai megismételhetők laboratóriumban - konkrétan azoknak az elméleteknek a részei, amelyek topológiai hibákat tartalmaznak. Ezen elméletek egyike sem a fizikusok általánosan elfogadott, és ez mind nagy elméleti zsákutca lehet.
Mäkinen munkája azonban további kísérletekhez nyitja meg az ajtót, hogy megvizsgálja, hogy az ilyen hibák hogyan alakíthatták ki a Nagyrobbanás utáni pillanatokat. És ezek a tanulmányok határozottan valami újat tanítanak a kvantum birodalmában - mondta. A nyitott kérdés továbbra is fennmarad: Vajon a fizikusok véglegesen összekapcsolják-e ezeket az apró kvantum-világ részleteit az egész univerzum viselkedésével?
