Tilbake i universets første øyeblikk var alt varmt og tett og i perfekt balanse. Det var ikke noen partikler slik vi forsto dem, mye mindre noen stjerner eller til og med vakuumet som gjennomsyrer plass i dag. Hele plassen var fylt med homogene, formløse, komprimerte ting.
Så, noe gled. All den monotone stabiliteten ble ustabil. Matter vant over sin rare fetter, antimatter, og kom til å dominere hele verdensrommet. Skyer av den saken dannet og kollapset til stjerner, som ble organisert i galakser. Alt vi vet om begynte å eksistere.
Så, hva skjedde med å tipse universet ut av sin formløse tilstand?
Forskere er fremdeles ikke sikre. Men forskere har funnet ut en ny måte å modellere på et laboratorium den typen feil som kan ha forårsaket den store ubalansen i det tidlige universet. I en ny artikkel, publisert i dag (16. januar) i tidsskriftet Nature Communications, viste forskere at de kan bruke superkjølt helium for å modellere de første øyeblikkene av eksistens - spesifikt for å gjenopprette ett mulig sett med forhold som kan ha eksistert bare etter Big Bang.
Det betyr noe fordi universet er fullt av balanserende handlinger som fysikere kaller "symmetrier."
Noen viktige eksempler: Fysikklikninger fungerer på samme måte både fremover og bakover i tid. Det er akkurat nok positivt ladede partikler i universet til å avbryte alle de negativt ladede partiklene.
Men noen ganger brytes symmetrier. En perfekt sfære balansert på tuppen av en nål faller den ene eller den andre veien. To identiske sider av en magnet skiller seg ut i nord- og sørpolen. Matter vinner over antimaterie i det tidlige universet. Spesifikke grunnleggende partikler dukker opp fra det tidlige universets formløshet og interagerer med hverandre via diskrete krefter.
"Hvis vi tar eksistensen av Big Bang som gitt, har universet utvilsomt gjennomgått noen symmetri-brytende overganger," sa Jere Mäkinen, hovedforfatteren av studien og en doktorgradsstudent ved Aalto University i Finland, til Live Science.
Trenger du bevis? Det er rundt oss. Hvert bord og stol og galakse og andebetydd platypus er bevis på at noe tippet det tidlige universet ut av dets tidlige, flate tilstand og inn i dets nåværende kompleksitet. Vi er her i stedet for å være potensialer i et enhetlig tomrom. Så noe brøt den symmetrien.
Fysikere kaller noen av de tilfeldige svingningene som bryter symmetrien "topologiske defekter."
I hovedsak er topologiske defekter flekker der noe blir vanvittig i et ellers ensartet felt. På en gang dukker det opp en forstyrrelse. Dette kan skje på grunn av interferens utenfra, som i et laboratoriumeksperiment. Eller det kan skje tilfeldig og mystisk, som forskere mistenker at skjedde i det tidlige universet. Når en topoligisk defekt dannes, kan den sitte midt i et ensartet felt, som en kampestein som skaper krusninger i en jevn bekk.
Noen forskere mener at spesielle typer topologiske defekter i det tidløse universets formløse ting kan ha spilt en rolle i de første symmetribrytende overgangene. Disse manglene kan ha inkludert strukturer som kalles "halve kvantehvirvler" (mønstre av energi og materie som ser litt ut som boblebad) og "vegger avgrenset av strenger" (magnetiske strukturer laget av todimensjonale vegger avgrenset på hver side av to en- dimensjonale "strenger"). Disse spontant nye strukturer påvirker strømmen av materie i ellers-symmetriske systemer, og noen forskere mistenker at disse strukturene spilte en rolle i å klumpe sammen universet i stjernene og galakene vi ser i dag.
Forskere hadde tidligere laget slike slags feil i magnetfeltene til superkjølte gasser og superledere i laboratoriene sine. Men manglene dukket opp individuelt. De fleste teorier som bruker topologiske defekter for å forklare opprinnelsen til det moderne universet involverer "sammensatte" defekter, sa Mäkinen - mer enn en defekt som fungerer på konsert.
Mäkinen og hans medforfattere tegnet et eksperiment som involverte flytende helium avkjølt til brøk i grad over absolutt null og presset inn i bittesmå kamre. I mørket på de små boksene dukket det opp halve kvantehvirvler i den superkjølte helium.
Deretter endret forskerne forholdene til helium, og fikk den til å gå gjennom en serie faseoverganger mellom to forskjellige typer superfluider, eller væsker uten viskositet. Dette er faseoverganger som ligner på vann som blir fra et faststoff til en væske eller en gass, men under mye mer ekstreme forhold.
Faseoverganger får symmetri til å gå i stykker. For eksempel er flytende vann fullt av molekyler som kan orientere seg i mange forskjellige retninger. Men frys det vannet, og molekylene blir låst på plass i bestemte posisjoner. Tilsvarende brudd i symmetri skjer med overflødige faseoverganger i eksperimentene.
Likevel, etter at den overflødige helium gjennomgikk sine faseoverganger, forble virvlene - beskyttet av vegger avgrenset av strenger. Sammen dannet virvlene og veggene sammensatte topologiske defekter og overlevde symmetri-brytende faseoverganger. På den måten, skrev forskerne i papiret, speilet disse objektene mangler som noen teorier antyder dannet i det tidlige universet.
Betyr dette at Mäkinen og hans medforfattere har funnet ut hvordan symmetri brøt i det tidlige universet? Absolutt ikke. Modellen deres viste bare at visse aspekter av "store enhetlige teorier" om hvordan det tidlige universet tok sin form, kan kopieres i et laboratorium - nærmere bestemt de delene av de teoriene som involverer topologiske defekter. Ingen av disse teoriene er allment akseptert av fysikere, og alt dette kan være en stor teoretisk blindvei.
Men Mäkinens verk åpner for flere eksperimenter for å undersøke hvordan disse slags feil kan ha virket for å forme øyeblikkene etter Big Bang. Og disse studiene lærer absolutt forskere noe nytt om kvanteområdet, sa han. Det åpne spørsmålet gjenstår: Vil fysikere noen gang uavgjort koble disse detaljene om den lille kvanteverdenen med oppførselen til hele universet?
