V prvom okamihu vesmíru bolo všetko horúce a husté av dokonalej rovnováhe. Neboli tu žiadne častice, ako by sme im rozumeli, oveľa menej hviezdy alebo dokonca vákuum, ktoré dnes preniká do vesmíru. Celý priestor bol vyplnený homogénnymi, beztvarými, stlačenými látkami.
Potom niečo skĺzlo. Celá táto monotónna stabilita sa stala nestabilnou. Matter zvíťazil nad svojím podivným bratrancom, antihmotou a ovládol celý priestor. Mraky tejto hmoty sa vytvorili a zhroutili sa na hviezdy, ktoré sa usporiadali do galaxií. Všetko, o čom vieme, začalo existovať.
Čo sa teda stalo s vyvrhnutím vesmíru z jeho beztvarého stavu?
Vedci si stále nie sú istí. Vedci však vymysleli nový spôsob, ako v laboratóriu modelovať druh defektu, ktorý by mohol spôsobiť veľké nevyváženie raného vesmíru. V novom článku uverejnenom dnes (16. januára) v časopise Nature Communications vedci ukázali, že na modelovanie týchto prvých okamihov existencie môžu použiť superchladené hélium - konkrétne na opätovné vytvorenie jedného možného súboru podmienok, ktoré mohli existovať práve po Veľkom tresku.
To je dôležité, pretože vesmír je plný vyrovnávacích činov, ktoré fyzici nazývajú „symetrie“.
Niekoľko hlavných príkladov: Fyzikálne rovnice fungujú rovnako vpred aj vzad v čase. Vo vesmíre je len dosť pozitívne nabitých častíc, aby sa odstránili všetky negatívne nabité častice.
Ale niekedy sa symetria rozbije. Perfektná guľa vyvážená na špičke ihly padá tak či onak. Dve rovnaké strany magnetu sa delia na severný a južný pól. Hmota vyhráva nad antihmotou v ranom vesmíre. Konkrétne základné častice vznikajú z beztvarosti raného vesmíru a vzájomne interagujú prostredníctvom diskrétnych síl.
„Ak vezmeme existenciu Veľkého tresku tak, ako bola daná, vesmír bezpochyby prešiel niekoľkými prelomeniami symetrie,“ povedala Live Science Jere Mäkinen, vedúca autorka štúdie a doktorandka na univerzite Aalto vo Fínsku.
Potrebujete dôkaz? Je to všade okolo nás. Každý stôl, stolička, galaxia a plavák z kačice sú dôkazom toho, že niečo vyvrhlo skorý vesmír z jeho skorého, plochého stavu a do jeho súčasnej zložitosti. Sme tu namiesto toho, aby sme boli potenciálmi v jednotnej medzere. Tú symetriu niečo zlomilo.
Fyzici nazývajú niektoré z náhodných výkyvov, ktoré narušujú symetriu, „topologické defekty“.
Topologické defekty sú v podstate miesta, kde sa niečo inak nevyvracia v inak jednotnej oblasti. Naraz sa objaví prerušenie. Môže k tomu dôjsť v dôsledku vonkajšej interferencie, napríklad v laboratórnom experimente. Alebo sa to môže stať náhodne a záhadne, podobne ako vedci podozrivý v ranom vesmíre. Keď sa vytvorí topoligická vada, môže sedieť uprostred rovnomerného poľa, ako balvan vytvárajúci vlnky v hladkom prúde.
Niektorí vedci sa domnievajú, že pri týchto prvých prechodoch narušujúcich symetriu mohli zohrávať úlohu určité druhy topologických defektov v beztvarých materiáloch raného vesmíru. Tieto defekty mohli zahŕňať štruktúry nazývané „polovičné kvantové víry“ (vzorce energie a hmoty, ktoré vyzerajú trochu ako vírivky) a „steny ohraničené reťazcami“ (magnetické štruktúry vyrobené z dvojrozmerných stien ohraničených na oboch stranách dvoma jedno- rozmerové „reťazce“). Tieto spontánne sa rozvíjajúce štruktúry ovplyvňujú tok hmoty v inak symetrických systémoch a niektorí vedci majú podozrenie, že tieto štruktúry hrali úlohu pri zhlukovaní vesmíru na hviezdy a galaxie, ktoré dnes vidíme.
Vedci predtým vytvorili tieto druhy defektov v magnetických poliach superchladených plynov a supravodičov vo svojich laboratóriách. Ale chyby sa objavili individuálne. Väčšina teórií, ktoré používajú topologické defekty na vysvetlenie pôvodu moderného vesmíru, zahŕňa „kompozitné“ defekty, Mäkinen povedal - viac ako jeden defekt pracuje v zhode.
Mäkinen a jeho spoluautori navrhli experiment zahŕňajúci kvapalné hélium ochladené na frakcie stupňa nad absolútnou nulou a vytlačené do malých komôr. V tme tých malých škatúľ sa v superchladenom héliu objavili polokvantové víry.
Potom vedci zmenili podmienky hélia a spôsobili, že prešlo radom fázových prechodov medzi dvoma rôznymi druhmi superfluidov alebo tekutín bez viskozity. Sú to fázové prechody podobné premene vody z tuhej látky na kvapalinu alebo plyn, ale za oveľa extrémnejších podmienok.
Fázové prechody spôsobujú narušenie symetrie. Napríklad tekutá voda je plná molekúl, ktoré sa môžu orientovať mnohými rôznymi smermi. Ale zamrznite tú vodu a molekuly sa zamknú na mieste v konkrétnych pozíciách. Podobné porušenia symetrie sa vyskytujú pri superfluidných fázových prechodoch v experimentoch.
Aj keď superfluidné hélium prešlo fázovými prechodmi, víry zostali - chránené stenami ohraničenými reťazcami. Spoločne, víry a steny vytvorili zložené topologické defekty a prežili fázové prechody, ktoré prelomili symetriu. Týmto spôsobom vedci v článku napísali, že tieto objekty odrážajú chyby, ktoré naznačujú niektoré teórie v ranom vesmíre.
Znamená to, že Mäkinen a jeho spoluautéri prišli na to, ako sa symetria rozpadla v ranom vesmíre? Rozhodne nie. Ich model ukázal iba to, že určité aspekty „veľkých zjednotených teórií“ o tom, ako raný vesmír nadobudol svoj tvar, sa môžu replikovať v laboratóriu - konkrétne časti tých teórií, ktoré zahŕňajú topologické defekty. Žiadna z týchto teórií fyzici všeobecne neakceptujú, a to by mohlo byť veľké teoretické slepé uličky.
Mäkinenova práca však otvára dvere ďalším experimentom, aby zistila, ako mohli tieto druhy defektov fungovať pri formovaní momentov po Veľkom tresku. A tieto štúdie určite učia vedcov niečo nové o kvantovej oblasti, povedal. Otvorená otázka zostáva: Budú fyzici niekedy presvedčivo prepojiť tieto podrobnosti o malom kvantovom svete so správaním celého vesmíru?
