Takaisin maailmankaikkeuden ensimmäisellä hetkellä kaikki oli kuuma ja tiheä ja täydellisessä tasapainossa. Ei ollut yhtään hiukkasia sellaisena kuin olisimme niistä ymmärtäneet, vähemmän tähtiä tai edes tyhjiötä, joka läpäisee avaruutta tänään. Koko tila oli täynnä homogeenisia, muodottomia, puristettuja esineitä.
Sitten jotain liukastui. Kaikesta siitä yksitoikkoisesta vakaudesta tuli epävakaa. Matter voitti omituisen serkkunsa, antimaterian, ja tuli hallitsemaan koko tilaa. Tuon aineen pilvet muodostuivat ja romahti tähtiin, jotka muuttuivat galakseiksi. Kaikki mitä tiedämme, alkoi olla olemassa.
Joten mitä tapahtui, jotta maailmankaikkeus päästiin pois muodottomasta tilasta?
Tutkijat eivät vieläkään ole varmoja. Mutta tutkijat ovat keksineet uuden tavan mallintaa laboratoriossa sellaista virhettä, joka olisi voinut aiheuttaa varhaisen maailmankaikkeuden suuren epätasapainon. Uudessa artikkelissa, joka julkaistiin tänään (16. tammikuuta) Nature Communications -lehdessä, tutkijat osoittivat, että he voivat käyttää superjäähdytettyä heliumia malliakseen olemassaolon ensimmäisiä hetkiä - erityisesti luodakseen yhden mahdollisen olosuhteen, jotka saattavat olla olemassa juuri Ison räjähdyksen jälkeen.
Sillä on merkitystä, koska maailmankaikkeus on täynnä tasapainottavia toimia, joita fyysikot kutsuvat "symmetrioiksi".
Joitakin tärkeitä esimerkkejä: Fysiikan yhtälöt toimivat samalla tavalla eteenpäin ja taaksepäin ajassa. Universumissa on vain tarpeeksi positiivisesti varautuneita hiukkasia kaikkien negatiivisesti varautuneiden hiukkasten poistamiseksi.
Mutta joskus symmetriat rikkoutuvat. Neulan kärjessä tasapainoinen täydellinen pallo putoaa tavalla tai toisella. Magneetin kaksi identtistä puolta jakautuvat pohjoiseen ja etelään. Aine voittaa antimaterian aikaisessa universumissa. Erityiset perushiukkaset syntyvät varhaisen maailmankaikkeuden muodottomuudesta ja ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa erillisten voimien kautta.
"Jos otamme ison räjähdyksen olemassaolon sellaisena kuin se on annettu, maailmankaikkeus on epäilemättä läpikäynyt joitain symmetriaa murtavia muutoksia", tutkimuksen pääkirjailija ja Aalto-yliopiston jatko-opiskelija Jere Mäkinen kertoi Live Sciencelle.
Tarvitsetko todisteita? Se on ympärillämme. Jokainen pöytä ja tuoli sekä galaksi- ja ankkalaskutettu piikkikorko ovat todisteita siitä, että jokin tiputti varhaisen maailmankaikkeuden varhaisesta, tasaisesta tilasta nykyiseen monimutkaisuuteensa. Olemme täällä sen sijaan, että olemme potentiaalit yhtenäisessä tyhjyydessä. Joten jotain rikkoi sen symmetrian.
Fyysikot kutsuvat joitain satunnaisvaihteluita, jotka rikkovat symmetrian, "topologisiksi virheiksi".
Pohjimmiltaan topologiset viat ovat kohtia, joissa jotain menee hitaasti muuten yhtenäisellä kentällä. Kaikki kerralla häiriö syntyy. Tämä voi tapahtua ulkopuolisista häiriöistä johtuen, kuten laboratoriokokeessa. Tai se voi tapahtua satunnaisesti ja salaperäisesti, kuten tutkijoiden epäillään tapahtuneen varhaisessa maailmankaikkeudessa. Kun topoligikaalinen vika muodostuu, se voi istua yhtenäisen kentän keskellä, kuten lohkare, joka luo värejä sileässä virtauksessa.
Jotkut tutkijat uskovat, että tietyntyyppisillä varhaisen maailmankaikkeuden muodottomissa topologisissa virheissä on voinut olla rooli noissa ensimmäisissä symmetriaa rikkovissa muutoksissa. Nämä viat saattoivat sisältää rakenteita, joita kutsutaan "puoli-kvanttipyörteiksi" (energia- ja materiaalikuviot, jotka näyttävät vähän kuin porealtaat) ja "jousien rajoittamista seinistä" (magneettiset rakenteet, jotka on valmistettu kaksiulotteisista seinistä, joita rajoittavat molemmin puolin kaksi yhden- ulotteiset "jouset"). Ne spontaanisti syntyvät rakenteet vaikuttavat aineen virtaukseen muuten symmetrisissä järjestelmissä, ja jotkut tutkijat epäilevät näiden rakenteiden olevan tärkeä osa maailmankaikkeuden ryhmittämisessä tähtien ja galaksien joukkoon, joita näemme tänään.
Tutkijat olivat aiemmin luoneet tällaisia vikoja jäähdytettyjen kaasujen ja suprajohtimien magneettikenttiin laboratorioissaan. Mutta puutteet ilmenivät yksilöllisesti. Mäkinen kertoi, että useimmat teoriat, jotka käyttävät topologisia virheitä selittämään modernin maailmankaikkeuden alkuperää, sisältävät "komposiittivirheitä", useampia kuin yksi vika, joka toimii yhdessä.
Mäkinen ja hänen tekijänsä suunnittelivat kokeen, jossa nestemäinen helium jäähdytettiin absoluuttisen nollan asteen murto-osiin ja puristettiin pieniin kammioihin. Noiden pienten laatikoiden pimeydessä puolijäämäisiä pyörteitä nousi ylijäähdytettyyn heliumiin.
Sitten tutkijat muuttivat heliumin olosuhteita aiheuttaen sen käydä läpi vaihesiirtymien sarjan kahden erityyppisen supernesteen tai nesteen välillä, joilla ei ole viskositeettia. Nämä ovat vaihesiirtymiä, jotka muistuttavat vettä, joka muuttuu kiinteästä aineesta nesteeksi tai kaasuksi, mutta paljon äärimmäisissä olosuhteissa.
Vaihesiirtymät aiheuttavat symmetrian murtumisen. Esimerkiksi nestemäinen vesi on täynnä molekyylejä, jotka voivat orientoitua moniin eri suuntiin. Mutta jäädyttää se vesi ja molekyylit lukkiutuvat paikoilleen tietyissä kohdissa. Samanlaisia häiriöitä symmetriassa tapahtuu superfluidivaihesiirtymien kanssa kokeissa.
Silti superfluidisen heliumin läpi vaihesiirtymänsä, pyörteet pysyivät - suojattuina jousien rajoittamilla seinillä. Yhdessä vorteet ja seinät muodostivat komposiittisia topologisia vikoja ja selvisivät symmetriaa rikkovista vaihesiirtymistä. Tällä tavalla tutkijat kirjoittivat lehdessä nämä esineet heijastivat vikoja, jotka joidenkin teorioiden mukaan muodostuivat varhaisessa maailmankaikkeudessa.
Tarkoittaako tämä, että Mäkinen ja hänen tekijänsä ovat tajunnut kuinka symmetria hajosi varhaisessa maailmankaikkeudessa? Ehdottomasti ei. Heidän malli osoitti vain, että varhaisen maailmankaikkeuden muodonmuutoksen "suurien yhtenäisten teorioiden" tiettyjä piirteitä voidaan toistaa laboratoriossa - erityisesti niiden teorioiden osat, joihin liittyy topologisia virheitä. Mikään näistä teorioista ei ole fysiikan laajalti hyväksymiä, ja tämä kaikki voisi olla iso teoreettinen umpikuja.
Mutta Mäkisen teos avaa oven lisäkokeisiin tutkiakseen, kuinka tällaiset viat ovat saattaneet toimia muodostaakseen hetket Ison räjähdyksen jälkeen. Ja nämä tutkimukset opettavat tutkijoille ehdottomasti jotain uutta kvanttivaltakunnassa, hän sanoi. Avoin kysymys on edelleen: linkittävätkö fyysikot lopullisesti nämä yksityiskohdat pienestä kvantimaailmasta koko maailmankaikkeuden käyttäytymiseen?
