U prvom trenutku svemira, sve je bilo vruće i gusto i u savršenoj je ravnoteži. Nisu postojale nikakve čestice kao što smo ih razumjeli, još manje zvijezda ili čak vakuum koji danas prožima prostor. Čitav prostor bio je ispunjen homogenim, neformalnim, komprimiranim stvarima.
Tada je nešto poskliznulo. Sva ta monotona stabilnost postala je nestabilna. Matter je pobijedio nad svojim čudnim rođakom, antimaterijom i došao dominirati cijelim prostorom. Oblaci te materije formirali su se i kolabirali u zvijezde, koje su se organizirale u galaksije. Sve što znamo o njemu počelo je postojati.
Pa, što se dogodilo da izbaci svemir iz svog bezobličnog stanja?
Znanstvenici još uvijek nisu sigurni. No istraživači su smislili novi način da u laboratoriju modeliraju vrstu oštećenja koja bi mogla uzrokovati veliku neuravnoteženost ranog svemira. U novom radu, objavljenom danas (16. siječnja) u časopisu Nature Communications, znanstvenici su pokazali kako mogu pomoću superhlađenog helija modelirati one prve trenutke postojanja - konkretno, za ponovno stvaranje jednog mogućeg niza uvjeta koji su možda postojali samo nakon Velikog praska.
To je važno jer je svemir pun akata uravnoteženja koje fizičari nazivaju "simetrijama".
Neki glavni primjeri: Fizičke jednadžbe djeluju na isti način, i naprijed i natrag u vremenu. U svemiru postoji samo dovoljno pozitivno nabijenih čestica koje mogu otkazati sve negativno nabijene čestice.
Ali ponekad se simetrije pokidaju. Savršena sfera izbalansirana na vrhu igle propada jedan ili drugi način. Dvije identične strane magneta razdvajaju se na sjeverni i južni pol. Materija pobjeđuje nad antimaterijom u ranom svemiru. Specifične temeljne čestice proizlaze iz neformalnosti ranog svemira i međusobno djeluju diskretnim silama.
"Ako uzmemo postojanje Velikog praska kao dani, svemir je nesumnjivo prošao neke prijelaze koji probijaju simetriju", izjavio je Jere Mäkinen, vodeći autor studije i doktorski student na sveučilištu Aalto u Finskoj, za Live Science.
Trebate dokaz? Sve je oko nas. Svaki stol i stolica, galaksija i patkupci na kojima je patka dokaz je da je nešto preokrenulo rani svemir iz njegova ranog, ravnog stanja i njegove trenutne složenosti. Ovdje smo, umjesto da budemo potencijali u jednoličnoj praznini. Dakle, nešto je pokvarilo tu simetriju.
Fizičari nazivaju neke slučajne fluktuacije koje razbijaju simetriju "topološkim nedostacima".
U biti, topološka oštećenja su mjesta gdje nešto ide neugodno u inače jednoličnom polju. Odjednom nastaje poremećaj. To se može dogoditi zbog vanjskih smetnji, kao u laboratorijskom eksperimentu. Ili se može dogoditi nasumično i tajanstveno, kao što znanstvenici sumnjaju da se dogodilo u ranom svemiru. Jednom kada se formira topoligicki defekt, on može sjesti usred jednoličnog polja, poput gromade koji stvara nerede u glatkom toku.
Neki istraživači vjeruju da su posebne vrste topoloških nedostataka u bezobličnim stvarima ranog svemira možda igrale ulogu u tim prvim prijelazima koji razbijaju simetriju. Te su mane možda uključivale strukture nazvane "polukvantni vrtlozi" (obrasci energije i materije koji pomalo liče na vrtložne bazene) i "zidovi omeđeni žicama" (magnetske strukture izrađene od dvodimenzionalnih zidova koje su s obje strane omeđene s dva jednoznačna dimenzionalne "žice"). Te spontano nastajuće strukture utječu na tok materije u inače simetričnim sustavima, a neki istraživači sumnjaju da su te strukture igrale ulogu u zbližavanju svemira u zvijezde i galaksije koje danas vidimo.
Istraživači su prethodno stvorili ove vrste oštećenja u magnetskim poljima prehlađenih plinova i superprovodnika u svojim laboratorijima. Ali nedostaci su se pojavili pojedinačno. Mäkinen je rekao da većina teorija koje koriste topološke nedostatke za objašnjenje podrijetla suvremenog svemira uključuje "složene" nedostatke koji rade zajedno.
Mäkinen i njegovi koautori dizajnirali su eksperiment u kojem se tekući helij ohladio na frakcije stupnja iznad apsolutne nule i utisnuo u sićušne komore. U tami tih malih kutija pojavili su se polukvantični vrtlozi u pregrijanom heliju.
Potom su istraživači promijenili uvjete helija, prouzrokujući da prolazi kroz niz faznih prijelaza između dvije različite vrste super tekućina ili tekućina bez viskoznosti. To su fazni prijelazi slični vodi pretvarajući se iz krute tvari u tekućinu ili plin, ali pod mnogo ekstremnijim uvjetima.
Fazni prijelazi uzrokuju kršenje simetrije. Na primjer, tekuća voda je puna molekula koje se mogu orijentirati u raznim smjerovima. Zamrznite tu vodu i molekule se u određenim položajima zaključaju. Slični prekidi u simetriji se događaju s prijelazima super tekuće faze u eksperimentima.
Ipak, nakon što je višak tečnog helija prošao fazne prijelaze, vrtlozi su ostali zaštićeni zidovima omeđenim žicama. Zajedno, vrtlozi i zidovi tvorili su složene topološke nedostatke i preživjeli fazne prijelaze simetrije koji probijaju. Na taj su način, napisali su istraživači u radu, ti predmeti zrcalili nedostatke za koje neke teorije sugeriraju da su nastale u ranom svemiru.
Znači li to da su Mäkinen i njegovi koautori shvatili kako se simetrija probila u ranom svemiru? Apsolutno ne. Njihov je model pokazao samo da se određeni aspekti „velikih objedinjenih teorija“ o tome kako je rani svemir poprimio oblik mogu preslikati u laboratoriju - točnije, dijelove onih teorija koji uključuju topološke nedostatke. Fizičari nisu dobro prihvatili nijednu od tih teorija, a ovo bi sve moglo biti velika teoretska slijepa ulica.
Ali Mäkinenovo djelo otvara vrata za još eksperimenata u istraživanju kako su ove vrste nedostataka mogle djelovati na oblikovanje trenutaka nakon Velikog praska. A ove studije naučnike definitivno podučavaju nešto novo o kvantnom carstvu, rekao je. Ostaje otvoreno pitanje: Hoće li fizičari ikad uvjerljivo povezati te detalje o sićušnom kvantnom svijetu s ponašanjem cijelog svemira?
