Tilbage i universets første øjeblik var alt varmt og tæt og i perfekt balance. Der var ikke nogen partikler, som vi ville forstå dem, meget mindre nogen stjerner eller endda det vakuum, der gennemsyrer rum i dag. Hele rummet blev fyldt med homogene, formløse, komprimerede ting.
Derefter gled noget. Al den monotone stabilitet blev ustabil. Materiet vandt over sin underlige fætter, antimaterie, og kom til at dominere hele rummet. Skyer af den materie dannede sig og kollapsede i stjerner, der blev organiseret i galakser. Alt, hvad vi ved om, begyndte at eksistere.
Så hvad skete der for at tip universet ud af dets formløse tilstand?
Videnskabsmænd er stadig ikke sikre. Men forskere har fundet ud af en ny måde at modellere i et laboratorium på den slags mangler, der kunne have forårsaget den store ubalance i det tidlige univers. I en ny artikel, der blev offentliggjort i dag (16. januar) i tidsskriftet Nature Communications, viste forskere, at de kan bruge superkølet helium til at modellere disse første øjeblikke af eksistens - specifikt for at genskabe et muligt sæt betingelser, der måske eksisterede bare efter Big Bang.
Det betyder noget, fordi universet er fuld af afbalancerende handlinger, som fysikere kalder "symmetrier."
Nogle vigtige eksempler: Fysik ligninger fungerer på samme måde både fremad og bagud i tiden. Der er lige nok positivt ladede partikler i universet til at annullere alle de negativt ladede partikler.
Men nogle gange bryder symmetrier. En perfekt kugle afbalanceret på spidsen af en nål falder den ene eller den anden vej. To identiske sider af en magnet adskiller sig i nord- og sydpolen. Materiale vinder over antimaterie i det tidlige univers. Specifikke grundlæggende partikler dukker op fra formløsheden i det tidlige univers og interagerer med hinanden via diskrete kræfter.
"Hvis vi tager eksistensen af Big Bang som givet, har universet utvivlsomt gennemgået nogle symmetri-brytende overgange," fortæller Jere Mäkinen, hovedforfatteren af studiet og en doktorand ved Aalto University i Finland, til Live Science.
Brug for bevis? Det er rundt omkring os. Hvert bord og stol og galakse og andebillet platypus er bevis på, at noget tippede det tidlige univers ud af dets tidlige, flade tilstand og ind i dets nuværende kompleksitet. Vi er her i stedet for at være potentialer i et ensartet tomrum. Så noget brød den symmetri.
Fysikere kalder nogle af de tilfældige udsving, der bryder symmetrien "topologiske defekter."
I det væsentlige er topologiske defekter pletter, hvor noget går vild i et ellers ensartet felt. På én gang opstår der en forstyrrelse. Dette kan ske på grund af interferens udenfor, som i et laboratoriumeksperiment. Eller det kan ske tilfældigt og mystisk, ligesom forskere har mistanke om, at der skete i det tidlige univers. Når først en topoligisk defekt dannes, kan den sidde midt i et ensartet felt, som en sten, der skaber krusninger i en glat strøm.
Nogle forskere mener, at bestemte slags topologiske defekter i det formløse materiale i det tidlige univers kan have spillet en rolle i de første symmetribrudende overgange. Disse fejl kan have inkluderet strukturer kaldet "halve kvantehvirvler" (mønstre af energi og stof, der ligner lidt boblebad) og "vægge afgrænset af strenge" (magnetiske strukturer lavet af to-dimensionelle vægge bundet på hver side af to en- dimensionelle "strenge"). Disse spontant nye strukturer påvirker strømmen af stof i ellers symmetriske systemer, og nogle forskere har mistanke om, at disse strukturer spillede en rolle i at klumpe universet sammen i de stjerner og galakser, vi ser i dag.
Forskere havde tidligere oprettet disse slags defekter i magnetfelterne i superkølede gasser og superledere i deres laboratorier. Men manglerne opstod individuelt. De fleste teorier, der bruger topologiske defekter til at forklare oprindelsen af det moderne univers, involverer "sammensatte" defekter, sagde Mäkinen - mere end en defekt, der arbejder sammen.
Mäkinen og hans medforfattere designede et eksperiment, der involverede flydende helium afkølet til fraktioner i en grad over absolut nul og presset i små kamre. I mørket i disse små kasser fremkom halve kvantehvirvler i den superkølede helium.
Derefter ændrede forskerne betingelserne for helium, hvilket fik den til at gå gennem en række faseovergange mellem to forskellige slags superfluider eller væsker uden viskositet. Dette er faseovergange, der ligner vand, der omdannes fra et fast stof til en væske eller en gas, men under meget mere ekstreme forhold.
Faseovergange får symmetri til at bryde. For eksempel er flydende vand fuld af molekyler, der kan orientere sig i mange forskellige retninger. Men frys det vand, og molekylerne fastlåses på plads i bestemte positioner. Lignende pauser i symmetri sker med overfladefaseovergange i eksperimenterne.
Stadig, efter at den overfladiske helium gennemgik sin faseovergange, forblev virvlerne - beskyttet af vægge afgrænset af strenge. Sammen dannede virvler og vægge sammensatte topologiske defekter og overlevede symmetri-brytende faseovergange. På den måde skrev forskerne i avisen, disse genstande spejler defekter, som nogle teorier antyder dannet i det tidlige univers.
Betyder det, at Mäkinen og hans medforfattere har fundet ud af, hvordan symmetri brød i det tidlige univers? Absolut ikke. Deres model viste kun, at visse aspekter af "store samlede teorier" om, hvordan det tidlige univers tog sin form, kan replikeres i et laboratorium - specifikt de dele af de teorier, der involverer topologiske defekter. Ingen af disse teorier er bredt accepteret af fysikere, og alt dette kan være en stor teoretisk blindgyde.
Men Mäkinens arbejde åbner døren til flere eksperimenter for at undersøge, hvordan disse slags mangler kan have fungeret til at forme øjeblikke efter Big Bang. Og disse undersøgelser lærer bestemt forskere noget nyt om kvanteområdet, sagde han. Det åbne spørgsmål er fortsat: Vil fysikere nogensinde endeligt forbinde disse detaljer om den lille kvanteverden med opførelsen af hele universet?
