Zpátky v prvním okamžiku vesmíru bylo všechno horké a husté a v perfektní rovnováze. Nebyly tu žádné částice, jak jsme jim rozuměli, mnohem méně hvězd nebo dokonce vakuum, které dnes proniká do vesmíru. Celý prostor byl naplněn homogenními, beztvarými, stlačenými látkami.
Pak něco uklouzlo. Celá ta monotónní stabilita se stala nestabilní. Matter zvítězil nad svým podivným bratrancem, antihmotou a ovládl celý prostor. Mraky této hmoty se formovaly a zhroutily se do hvězd, které se zorganizovaly do galaxií. Všechno, o čem víme, začalo existovat.
Co se tedy stalo, aby se vesmír zbavil svého beztvarého stavu?
Vědci si stále nejsou jisti. Vědci však přišli na nový způsob, jak v laboratoři modelovat druh vady, která mohla způsobit velkou nevyváženost raného vesmíru. V novém příspěvku zveřejněném dnes (16. ledna) v časopise Nature Communications vědci ukázali, že mohou použít superchlazené helium k modelování těchto prvních okamžiků existence - konkrétně k opětovnému vytvoření jedné možné sady podmínek, které mohou existovat právě po Velkém třesku.
To je důležité, protože vesmír je plný vyrovnávacích činů, které fyzici nazývají „symetrie“.
Některé hlavní příklady: Fyzikální rovnice fungují stejným způsobem vpřed i vzad v čase. Ve vesmíru je jen tolik pozitivně nabitých částic, aby byly odstraněny všechny negativně nabité částice.
Ale někdy se symetrie rozbije. Dokonalá koule vyvážená na špičce jehly padá tak či onak. Dvě stejné strany magnetu se rozdělují na severní a jižní pól. Hmota vyhraje nad antihmotou v ranném vesmíru. Specifické základní částice vycházejí z beztvarosti raného vesmíru a vzájemně interagují prostřednictvím diskrétních sil.
„Pokud vezmeme existenci Velkého třesku tak, jak byla dána, vesmír nepochybně prošel některými přechody, které narušují symetrii,“ řekl Jere Mäkinen, hlavní autor studie a doktorand na Aalto University ve Finsku, Live Science.
Potřebujete důkaz? Je to všude kolem nás. Každý stůl, židle, galaxie a platypus plastický z kachny jsou důkazem toho, že něco vyvrhlo raný vesmír z jeho raného, plochého stavu a do jeho současné složitosti. Jsme tady místo toho, abychom byli potencionálně jednotní. Tu symetrii tedy něco porušilo.
Fyzici nazývají některé z náhodných výkyvů, které narušují symetrii, „topologické defekty“.
Topologické defekty jsou v podstatě skvrny, kde se v jinak jednotném poli něco zvrhne. Najednou se objeví narušení. To se může stát kvůli vnějšímu rušení, jako v laboratorním experimentu. Nebo se to může stát náhodně a záhadně, jako se vědci podezřelí stali v raném vesmíru. Jakmile se vytvoří topoligická vada, může sedět uprostřed jednotného pole, jako balvan vytvářející vlnky v hladkém proudu.
Někteří vědci se domnívají, že určité druhy topologických defektů v beztvarých věcech raného vesmíru mohly hrát roli v těchto prvních přechodech narušujících symetrii. Tyto defekty mohly zahrnovat struktury zvané „polokvantové víry“ (vzorce energie a hmoty, které vypadají trochu jako vířivé vany) a „stěny ohraničené řetězci“ (magnetické struktury vyrobené z dvourozměrných stěn ohraničených na jedné straně dvěma jedno- rozměrné "řetězce"). Tyto spontánně se rozvíjející struktury ovlivňují tok hmoty v jinak symetrických systémech a někteří vědci mají podezření, že tyto struktury hrály roli při shlukování vesmíru do hvězd a galaxií, které dnes vidíme.
Vědci dříve vytvořili tyto druhy defektů v magnetických polích superchlazených plynů a supravodičů ve svých laboratořích. Ale vady se objevily individuálně. Většina teorií, které používají topologické defekty k vysvětlení původu moderního vesmíru, zahrnuje „složené“ defekty, uvedl Mäkinen - více než jedna vada pracuje společně.
Mäkinen a jeho spoluautoři navrhli experiment zahrnující kapalné helium ochlazené na frakce stupně nad absolutní nulou a vytlačené do malých komor. Ve tmě těch malých krabiček se v superchlazeném héliu objevily polokvantové víry.
Poté vědci změnili podmínky helia a způsobili, že prošlo řadou fázových přechodů mezi dvěma různými druhy superfluidů nebo tekutin bez viskozity. Jedná se o fázové přechody podobné tomu, že se voda mění z pevné látky na kapalinu nebo plyn, ale za mnohem extrémnějších podmínek.
Fázové přechody způsobují porušení symetrie. Například kapalná voda je plná molekul, které se mohou orientovat mnoha různými směry. Ale zmrazte tu vodu a molekuly se zamknou na místě v určitých pozicích. Podobné přerušení symetrie se vyskytuje u superfluidních fázových přechodů v experimentech.
Přesto, když superfluidní helium prošlo fázovými přechody, víry zůstaly - chráněny zdmi ohraničenými řetězci. Společně tvořily víry a stěny složené topologické defekty a přežily fázové přechody, které prolomily symetrii. Tímto způsobem vědci v článku psali, tyto objekty zrcadlily vady, které některé teorie naznačují, vznikly v ranném vesmíru.
Znamená to, že Mäkinen a jeho spoluautoři přišli na to, jak se symetrie v raném vesmíru rozpadla? Rozhodně ne. Jejich model ukázal pouze to, že určité aspekty „velkých sjednocených teorií“ o tom, jak časný vesmír získal svůj tvar, lze replikovat v laboratoři - konkrétně části těch teorií, které zahrnují topologické defekty. Žádná z těchto teorií není fyziky široce přijímána, a to by mohlo být velkou teoretickou slepou uličkou.
Mäkinenova práce však otevírá dveře dalším experimentům, aby prozkoumala, jak tyto druhy defektů mohly ovlivnit vznik okamžiků po Velkém třesku. A tyto studie rozhodně učí vědcům něco nového o kvantové říši, řekl. Otevřená otázka zůstává: Budou fyzici někdy přesvědčivě spojovat tyto podrobnosti o malém kvantovém světě s chováním celého vesmíru?
