В первые мгновения вселенной все было горячо, плотно и в идеальном равновесии. Там не было никаких частиц, как мы их понимаем, тем более звезд или вакуума, который пронизывает пространство сегодня. Все пространство было заполнено однородным, бесформенным, сжатым материалом.
Затем что-то ускользнуло. Вся эта монотонная стабильность стала нестабильной. Материя победила своего странного кузена, антивещества, и стала доминировать над всем пространством. Облака этого вещества сформировались и развалились в звезды, которые стали организованными в галактики. Все, о чем мы знаем, начало существовать.
Итак, что случилось, чтобы вывести вселенную из ее бесформенного состояния?
Ученые до сих пор не уверены. Но исследователи придумали новый способ моделирования в лаборатории такого рода дефекта, который мог бы вызвать большой дисбаланс ранней вселенной. В новой статье, опубликованной сегодня (16 января) в журнале Nature Communications, ученые показали, что они могут использовать переохлажденный гелий для моделирования этих первых моментов существования, в частности, для воссоздания одного возможного набора условий, которые могли существовать только после Большого взрыва.
Это важно, потому что вселенная полна уравновешивающих действий, которые физики называют «симметриями».
Несколько важных примеров: физические уравнения работают одинаково как вперед, так и назад во времени. Во вселенной достаточно положительно заряженных частиц, чтобы нейтрализовать все отрицательно заряженные частицы.
Но иногда симметрия нарушается. Идеальная сфера, сбалансированная на кончике иглы, падает так или иначе. Две одинаковые стороны магнита разделяются на северный и южный полюса. Материя побеждает антивещество в ранней вселенной. Конкретные фундаментальные частицы возникают из бесформенности ранней вселенной и взаимодействуют друг с другом с помощью дискретных сил.
«Если мы примем факт существования Большого взрыва как данность, вселенная, несомненно, претерпела некоторые нарушения симметрии», - сказал Жере Мякинен, ведущий автор исследования и докторант в университете Аалто в Финляндии, в интервью журналу Live Science.
Нужны доказательства? Это все вокруг нас. Каждый стол, стул, галактика и утконос с утками - это свидетельство того, что что-то вывело раннюю вселенную из ее раннего плоского состояния в ее нынешнюю сложность. Мы здесь, а не потенциальные возможности в единой пустоте. Итак, что-то нарушило эту симметрию.
Физики называют некоторые случайные колебания, нарушающие симметрию, «топологическими дефектами».
По сути, топологические дефекты - это точки, в которых что-то идет не так, как надо, в однородной области. Внезапно возникает нарушение. Это может произойти из-за внешнего вмешательства, как в лабораторном эксперименте. Или это может произойти случайно и таинственно, как предполагают ученые в ранней Вселенной. Как только образуется тополигический дефект, он может находиться в центре однородного поля, как валун, создавая рябь в гладком потоке.
Некоторые исследователи полагают, что определенные виды топологических дефектов в бесформенном материале ранней вселенной, возможно, сыграли роль в этих первых нарушениях симметрии. Эти дефекты могли включать структуры, называемые «полуквантовыми вихрями» (структуры энергии и вещества, которые похожи на водовороты) и «стены, ограниченные струнами» (магнитные структуры, состоящие из двумерных стен, ограниченных с обеих сторон двумя одно- размерные «струны»). Эти самопроизвольно возникающие структуры влияют на поток вещества в симметричных в других отношениях системах, и некоторые исследователи подозревают, что эти структуры сыграли роль в объединении Вселенной в звезды и галактики, которые мы видим сегодня.
Исследователи ранее создали подобные дефекты в магнитных полях переохлажденных газов и сверхпроводников в своих лабораториях. Но недостатки возникли индивидуально. Мякинен сказал, что большинство теорий, использующих топологические дефекты для объяснения происхождения современной вселенной, включают в себя «сложные» дефекты - более одного дефекта, работающего согласованно.
Мякинен и его соавторы разработали эксперимент с участием жидкого гелия, охлажденного до долей степени выше абсолютного нуля и сжатых в крошечные камеры. В темноте этих маленьких коробочек в переохлажденном гелии появились полуквантовые вихри.
Затем исследователи изменили состояние гелия, заставив его пройти серию фазовых переходов между двумя различными типами сверхтекучих жидкостей или жидкостей без вязкости. Это фазовые переходы, похожие на превращение воды из твердого тела в жидкость или газ, но в гораздо более экстремальных условиях.
Фазовые переходы вызывают нарушение симметрии. Например, жидкая вода полна молекул, которые могут ориентироваться во многих разных направлениях. Но заморозьте эту воду, и молекулы закрепятся в определенных положениях. Подобные нарушения симметрии происходят со сверхтекучими фазовыми переходами в экспериментах.
Тем не менее, после того, как сверхтекучий гелий прошел свои фазовые переходы, вихри остались - защищены стенами, ограниченными нитями. Вместе вихри и стенки образовали сложные топологические дефекты и пережили фазовые переходы, нарушающие симметрию. Таким образом, как писали исследователи в статье, эти объекты отражали дефекты, которые, как предполагают некоторые теории, сформировались в ранней Вселенной.
Значит ли это, что Мякинен и его соавторы выяснили, как нарушалась симметрия в ранней вселенной? Точно нет. Их модель показала только то, что некоторые аспекты «великих единых теорий» о том, как ранняя вселенная обрела свою форму, могут быть воспроизведены в лаборатории - в частности, те части теорий, которые связаны с топологическими дефектами. Ни одна из этих теорий широко не принята физиками, и это может стать большим теоретическим тупиком.
Но работа Мякинена действительно открывает двери для новых экспериментов, чтобы выяснить, как подобные дефекты могли повлиять на моменты после Большого взрыва. И эти исследования определенно учат ученых чему-то новому в квантовой сфере, сказал он. Остается открытым вопрос: смогут ли когда-нибудь физики окончательно связать эти детали о крошечном квантовом мире с поведением всей вселенной?
