Im ersten Moment des Universums war alles heiß und dicht und in perfekter Balance. Es gab keine Partikel, wie wir sie verstehen würden, geschweige denn Sterne oder sogar das Vakuum, das heute den Raum durchdringt. Der gesamte Raum war mit homogenem, formlosem, komprimiertem Material gefüllt.
Dann rutschte etwas aus. All diese monotone Stabilität wurde instabil. Die Materie setzte sich gegen ihren seltsamen Cousin Antimaterie durch und beherrschte den gesamten Raum. Wolken dieser Materie bildeten sich und fielen zu Sternen zusammen, die sich zu Galaxien organisierten. Alles, was wir wissen, begann zu existieren.
Also, was ist passiert, um das Universum aus seinem formlosen Zustand zu bringen?
Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher. Forscher haben jedoch einen neuen Weg gefunden, um in einem Labor die Art von Defekt zu modellieren, die das große Ungleichgewicht des frühen Universums verursacht haben könnte. In einem neuen Artikel, der heute (16. Januar) in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler gezeigt, dass sie unterkühltes Helium verwenden können, um diese ersten Momente der Existenz zu modellieren - insbesondere, um einen möglichen Satz von Bedingungen wiederherzustellen, die möglicherweise gerade existierten nach dem Urknall.
Das ist wichtig, weil das Universum voller Balanceakte ist, die Physiker "Symmetrien" nennen.
Einige wichtige Beispiele: Physikgleichungen funktionieren zeitlich vorwärts und rückwärts auf die gleiche Weise. Es gibt gerade genug positiv geladene Teilchen im Universum, um alle negativ geladenen Teilchen aufzuheben.
Aber manchmal brechen Symmetrien. Eine perfekte Kugel, die auf der Nadelspitze balanciert ist, fällt in die eine oder andere Richtung. Zwei identische Seiten eines Magneten trennen sich in Nord- und Südpol. Materie gewinnt im frühen Universum über Antimaterie. Spezifische fundamentale Teilchen entstehen aus der Formlosigkeit des frühen Universums und interagieren über diskrete Kräfte miteinander.
"Wenn wir die Existenz des Urknalls als gegeben betrachten, hat das Universum zweifellos einige symmetriebrechende Übergänge durchlaufen", sagte Jere Mäkinen, der Hauptautor der Studie und Doktorand an der Aalto-Universität in Finnland, gegenüber Live Science.
Benötigen Sie Beweise? Es ist überall um uns herum. Jeder Tisch, jeder Stuhl, jede Galaxie und jedes Schnabeltier mit Entenschnabel ist ein Beweis dafür, dass etwas das frühe Universum aus seinem frühen, flachen Zustand in seine aktuelle Komplexität versetzt hat. Wir sind hier, anstatt Möglichkeiten in einer einheitlichen Leere zu sein. Etwas hat diese Symmetrie gebrochen.
Physiker nennen einige der zufälligen Schwankungen, die die Symmetrie brechen, "topologische Defekte".
Im Wesentlichen sind topologische Defekte Stellen, an denen in einem ansonsten einheitlichen Feld etwas wackelig wird. Auf einmal tritt eine Störung auf. Dies kann aufgrund von Störungen von außen geschehen, wie bei einem Laborexperiment. Oder es kann zufällig und auf mysteriöse Weise geschehen, wie Wissenschaftler vermuten, dass es im frühen Universum passiert ist. Sobald sich ein topoligikaler Defekt bildet, kann er in der Mitte eines gleichmäßigen Feldes sitzen, wie ein Felsbrocken, der in einem glatten Strom Wellen erzeugt.
Einige Forscher glauben, dass bestimmte Arten von topologischen Defekten im formlosen Material des frühen Universums eine Rolle bei diesen ersten symmetriebrechenden Übergängen gespielt haben könnten. Zu diesen Defekten können Strukturen gehören, die als "Halbquantenwirbel" (Energie- und Materiemuster, die ein bisschen wie Strudel aussehen) bezeichnet werden, und "durch Fäden begrenzte Wände" (magnetische Strukturen aus zweidimensionalen Wänden, die auf beiden Seiten von zwei Ein- begrenzt sind). dimensionale "Strings"). Diese spontan entstehenden Strukturen beeinflussen den Materiefluss in ansonsten symmetrischen Systemen, und einige Forscher vermuten, dass diese Strukturen dazu beigetragen haben, das Universum in den Sternen und Galaxien zusammenzufassen, die wir heute sehen.
Forscher hatten zuvor in ihren Labors solche Defekte in den Magnetfeldern unterkühlter Gase und Supraleiter erzeugt. Die Mängel traten jedoch einzeln auf. Die meisten Theorien, die topologische Defekte verwenden, um den Ursprung des modernen Universums zu erklären, beinhalten "zusammengesetzte" Defekte, sagte Mäkinen - mehr als ein Defekt arbeitet zusammen.
Mäkinen und seine Co-Autoren entwarfen ein Experiment mit flüssigem Helium, das auf Bruchteile von einem Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und in winzige Kammern gepresst wurde. In der Dunkelheit dieser kleinen Kisten entstanden im unterkühlten Helium Halbquantenwirbel.
Dann änderten die Forscher die Bedingungen des Heliums, wodurch es eine Reihe von Phasenübergängen zwischen zwei verschiedenen Arten von Superfluiden oder Flüssigkeiten ohne Viskosität durchlief. Dies sind Phasenübergänge, die Wasser ähneln, das sich von einem Feststoff in eine Flüssigkeit oder ein Gas verwandelt, jedoch unter viel extremeren Bedingungen.
Durch Phasenübergänge wird die Symmetrie unterbrochen. Zum Beispiel ist flüssiges Wasser voller Moleküle, die sich in viele verschiedene Richtungen orientieren können. Aber frieren Sie das Wasser ein und die Moleküle werden an bestimmten Positionen an Ort und Stelle fixiert. Ähnliche Symmetriebrüche treten bei den Superfluid-Phasenübergängen in den Experimenten auf.
Nachdem das superfluide Helium seine Phasenübergänge durchlaufen hatte, blieben die Wirbel - geschützt durch Wände, die von Fäden begrenzt waren. Zusammen bildeten die Wirbel und Wände zusammengesetzte topologische Defekte und überlebten symmetriebrechende Phasenübergänge. Auf diese Weise, so schrieben die Forscher in der Arbeit, spiegelten diese Objekte Defekte wider, die einige Theorien im frühen Universum vermuten lassen.
Bedeutet dies, dass Mäkinen und seine Co-Autoren herausgefunden haben, wie die Symmetrie im frühen Universum gebrochen hat? Absolut nicht. Ihr Modell zeigte nur, dass bestimmte Aspekte von "Grand Unified Theories", wie das frühe Universum seine Form angenommen hat, in einem Labor repliziert werden können - insbesondere die Teile dieser Theorien, die topologische Defekte beinhalten. Keine dieser Theorien wird von Physikern allgemein akzeptiert, und dies könnte alles eine große theoretische Sackgasse sein.
Aber Mäkinens Arbeit öffnet die Tür für weitere Experimente, um zu untersuchen, wie diese Art von Defekten die Momente nach dem Urknall beeinflusst haben könnten. Und diese Studien lehren Wissenschaftler definitiv etwas Neues über den Quantenbereich, sagte er. Die offene Frage bleibt: Werden Physiker diese Details über die winzige Quantenwelt jemals endgültig mit dem Verhalten des gesamten Universums verknüpfen?
