ברגע הראשון של היקום, הכל היה חם וצפוף ובאיזון מושלם. לא היו חלקיקים כפי שהבנו אותם, הרבה פחות כוכבים או אפילו הוואקום המחלחל לחלל כיום. כל החלל התמלא בחומר הומוגני, חסר צורה, דחוס.
ואז, משהו החליק. כל אותה יציבות מונוטונית הפכה לא יציבה. מטטר זכה על בן דודו המוזר, אנטי-חומר, ובא לשלוט בכל המרחב. עננים של אותו חומר התגבשו והתמוטטו לכוכבים, שהתארגנו לגלקסיות. כל מה שאנחנו יודעים עליו התחיל להתקיים.
אז, מה קרה להטות את היקום ממצבו חסר הצורה?
מדענים עדיין לא בטוחים. אולם החוקרים מצאו דרך חדשה לדגמן במעבדה סוג של פגם שיכול היה לגרום לחוסר האיזון הגדול של היקום המוקדם. במאמר חדש שפורסם היום (16 בינואר) בכתב העת Nature Communications, מדענים הראו כי הם יכולים להשתמש בהליום מקורר-על כדי לדגמן את אותם רגעי קיום ראשונים - ספציפית, כדי ליצור מחדש מערכת אפשרית אחת של תנאים שאולי היו קיימים רק אחרי המפץ הגדול.
זה משנה מכיוון שהיקום מלא במעשי איזון שהפיזיקאים מכנים "סימטריות".
כמה דוגמאות עיקריות: משוואות הפיזיקה פועלות באותה דרך הן קדימה והן אחורה בזמן. יש ביקום מספיק חלקיקים טעונים באופן חיובי כדי לבטל את כל החלקיקים הטעונים באופן שלילי.
אבל לפעמים סימטריות נשברות. כדור מושלם המאוזן בקצה המחט נופל לכאן או לכאן. שני צדדים זהים של מגנט נפרדים לקטבים צפון ודרום. הנושא מנצח על אנטי-חומר ביקום המוקדם. חלקיקים יסודיים ספציפיים יוצאים מחוסר הצורה של היקום המוקדם ומתקשרים זה עם זה באמצעות כוחות נפרדים.
"אם ניקח את קיומו של המפץ הגדול כפי שניתן, היקום ללא ספק עבר כמה מעברים שוברי סימטריה," אמר ג'ר Mäkinen, המחבר הראשי של המחקר ודוקטורנט באוניברסיטת Aalto בפינלנד, אמר ל- Live Science.
זקוק להוכחה? זה סביבנו. כל שולחן וכיסא וגלקסיה ואביזרי ברווז עם ברווז הם עדות לכך שמשהו הטה את היקום המוקדם מתוך מצבו המוקדם והשטוח ולמורכבותו הנוכחית. אנחנו כאן במקום להיות פוטנציאליים בריק אחיד. אז משהו שבר את הסימטריה הזו.
פיזיקאים מכנים חלק מהתנודות האקראיות המפרות את הסימטריה "פגמים טופולוגיים".
בעיקרו של דבר, פגמים טופולוגיים הם נקודות בהן משהו משתנה בתחום אחיד אחרת. בבת אחת מתגלה הפרעה. זה יכול לקרות בגלל הפרעות מבחוץ, כמו בניסוי במעבדה. או שזה יכול לקרות באופן אקראי ומסתורי, כמו שמדענים חושדים שקרה ביקום המוקדם. ברגע שנוצר פגם טופוליגי, הוא יכול לשבת באמצע שדה אחיד, כמו סלע היוצר אדוות בזרם חלק.
יש חוקרים הסבורים כי סוגים מסוימים של פגמים טופולוגיים בחומר חסר היקום של היקום הקדום עשויים למלא תפקיד באותם מעברים ראשונים שוברי סימטריה. יתכן כי פגמים אלה כללו מבנים המכונים "מערבולות חצי קוונטיות" (דפוסי אנרגיה וחומר שנראים קצת כמו מערבולות) ו"קירות המוגבלים במיתרים "(מבנים מגנטיים העשויים קירות דו ממדיים הגבולים משני צדיהם על ידי שני אחד- "מחרוזות" ממדיות). אותם מבנים המתהווים באופן ספונטני משפיעים על זרימת החומר במערכות סימטריות אחרות, ויש חוקרים שחושדים כי מבנים אלה מילאו תפקיד בשילוב היקום יחד לכוכבים והגלקסיות שאנו רואים כיום.
חוקרים יצרו בעבר סוגים של פגמים בשדות המגנטיים של גזים מקוררים ומוליכי-על במעבדותיהם. אך הליקויים עלו באופן אינדיבידואלי. מר התיאוריות המשתמשות במומים טופולוגיים כדי להסביר את מקורו של היקום המודרני כרוכות בפגמים "מורכבים", אמר Mäkinen - יותר מפגם אחד העובד בקונצרט.
Mäkinen וחבריו המשותפים עיצבו ניסוי שכלל הליום נוזלי מקורר לשברים בדרגה מעל אפס מוחלט ונלחץ לתאים זעירים. בחשכתם של אותם קופסאות קטנות הופיעו מערבולות חצי קוונטיות בהליום המצונן.
לאחר מכן, החוקרים שינו את תנאי ההליום, וגרמו לו לעבור סדרה של מעברים פאזיים בין שני סוגים שונים של נוזלים מיותרים, או נוזלים ללא צמיגות. אלה הם מעברים פאזיים הדומים למים שהופכים ממוצק לנוזל או לגז, אך בתנאים קיצוניים בהרבה.
מעברים שלביים גורמים לשבירת הסימטריה. לדוגמא, מים נוזליים מלאים במולקולות שיכולות להתמצא בכיוונים רבים ושונים. אבל הקפיאו את המים האלה והמולקולות ננעלות במקומן בתנוחות מסוימות. הפסקות סימטריות דומות מתרחשות עם מעברי השלב העל-נוזלים בניסויים.
ועדיין, לאחר שההליום המופרז עבר את מעברי הפאזות שלו, המערות נשארו - מוגנות על ידי קירות המוגבלים במיתרים. יחד, המערבולות והקירות יצרו ליקויים טופולוגיים מורכבים ושרדו מעברי שלב שבירת סימטריה. באופן זה, כתבו החוקרים בעיתון, אובייקטים אלה שיקפו פגמים שכמה תיאוריות מציעים שנוצרו ביקום המוקדם.
האם זה אומר שמאקינן וחבריו המשותפים הבינו כיצד נשברה הסימטריה ביקום המוקדם? בהחלט לא. המודל שלהם הראה רק כי ניתן לשכפל היבטים מסוימים של "תיאוריות מאוחדות מפוארות" של אופן צורת היקום המוקדם במעבדה - ספציפית, את החלקים של התיאוריות הכרוכות בפגמים טופולוגיים. אף אחת מהתיאוריות האלה אינה מקובלת על ידי פיזיקאים, וכל זה יכול להיות מבוי סתום תיאורטי גדול.
אבל עבודתו של Mäkinen אכן פותחת את הדלת לניסויים נוספים לחקור כיצד סוגים של פגמים אלה עשויים לעבוד כדי לעצב את הרגעים שאחרי המפץ הגדול. ומחקרים אלה בהחלט מלמדים מדענים משהו חדש בתחום הקוונטים, אמר. השאלה הגלויה נותרה: האם הפיזיקאים יקשרו אי פעם במפורש את הפרטים האלה על עולם הקוונטים הזעיר לבין התנהגות היקום כולו?
