Nel primo momento dell'universo, tutto era caldo, denso e in perfetto equilibrio. Non c'erano particelle come le capiremmo, tanto meno stelle o persino il vuoto che permea lo spazio oggi. L'intero spazio era pieno di cose omogenee, senza forma, compresse.
Quindi qualcosa è scivolato. Tutta quella stabilità monotona divenne instabile. La materia ha conquistato il suo strano cugino, l'antimateria, e ha dominato l'intero spazio. Le nuvole di quella materia si sono formate e sono crollate in stelle, che si sono organizzate in galassie. Tutto ciò che sappiamo ha iniziato ad esistere.
Quindi, che cosa è successo a ribaltare l'universo dal suo stato informe?
Gli scienziati non sono ancora sicuri. Ma i ricercatori hanno escogitato un nuovo modo per modellare in un laboratorio il tipo di difetto che avrebbe potuto causare il grande squilibrio del primo universo. In un nuovo articolo, pubblicato oggi (16 gennaio) sulla rivista Nature Communications, gli scienziati hanno dimostrato che possono usare l'elio super raffreddato per modellare quei primi momenti dell'esistenza - in particolare, per ricreare un possibile insieme di condizioni che potrebbero essere esistite proprio dopo il Big Bang.
Ciò è importante perché l'universo è pieno di atti di bilanciamento che i fisici chiamano "simmetrie".
Alcuni esempi importanti: le equazioni della fisica funzionano allo stesso modo sia avanti che indietro nel tempo. Ci sono abbastanza particelle cariche positivamente nell'universo per cancellare tutte le particelle cariche negativamente.
Ma a volte, le simmetrie si rompono. Una sfera perfetta in equilibrio sulla punta di un ago cade in un modo o nell'altro. Due lati identici di un magnete separati nei poli nord e sud. La materia vince sull'antimateria nell'universo primordiale. Particelle fondamentali specifiche emergono dalla mancanza di forma dell'universo primordiale e interagiscono tra loro tramite forze discrete.
"Se prendiamo in considerazione l'esistenza del Big Bang, l'universo ha indubbiamente subito alcune transizioni in cui la simmetria", ha detto a Live Science Jere Mäkinen, autore principale dello studio e studente di dottorato all'Università di Aalto in Finlandia.
Hai bisogno di prove? È tutto intorno a noi. Ogni tavolo, sedia, galassia e ornitorinco beccato a becco d'anatra è la prova che qualcosa ha fatto uscire l'universo primordiale dal suo stato iniziale, piatto e nella sua attuale complessità. Siamo qui invece di essere potenzialità in un vuoto uniforme. Quindi, qualcosa ha rotto quella simmetria.
I fisici chiamano alcune delle fluttuazioni casuali che spezzano la simmetria "difetti topologici".
In sostanza, i difetti topologici sono punti in cui qualcosa diventa instabile in un campo altrimenti uniforme. Improvvisamente emerge un'interruzione. Ciò può accadere a causa di interferenze esterne, come in un esperimento di laboratorio. Oppure può accadere in modo casuale e misterioso, come sospettano gli scienziati nell'universo primordiale. Una volta che si forma un difetto topoligico, può sedersi nel mezzo di un campo uniforme, come un masso che crea increspature in un flusso regolare.
Alcuni ricercatori ritengono che particolari tipi di difetti topologici nelle cose senza forma dell'universo primordiale possano aver avuto un ruolo in quelle prime transizioni che spezzano la simmetria. Tali difetti potrebbero aver incluso strutture chiamate "vortici semi-quantici" (schemi di energia e materia che assomigliano un po 'a mulinelli) e "pareti delimitate da stringhe" (strutture magnetiche costituite da pareti bidimensionali delimitate su entrambi i lati da due uno- "stringhe" dimensionali). Quelle strutture che emergono spontaneamente influenzano il flusso della materia in sistemi altrimenti simmetrici e alcuni ricercatori sospettano che queste strutture abbiano avuto un ruolo nel raggruppare l'universo nelle stelle e nelle galassie che vediamo oggi.
I ricercatori avevano precedentemente creato questo tipo di difetti nei campi magnetici di gas e superconduttori super raffreddati nei loro laboratori. Ma i difetti sono emersi singolarmente. La maggior parte delle teorie che usano difetti topologici per spiegare l'origine dell'universo moderno coinvolgono difetti "compositi", ha detto Mäkinen - più di un difetto che lavora in concerto.
Mäkinen e i suoi co-autori hanno progettato un esperimento che coinvolge l'elio liquido raffreddato a frazioni di grado superiore allo zero assoluto e schiacciato in minuscole camere. Nell'oscurità di quelle scatolette, vortici semi-quantici emersero nell'elio raffreddato.
Quindi, i ricercatori hanno cambiato le condizioni dell'elio, facendolo passare attraverso una serie di transizioni di fase tra due diversi tipi di superfluidi o fluidi senza viscosità. Queste sono transizioni di fase simili all'acqua che si trasforma da un solido in un liquido o in un gas, ma in condizioni molto più estreme.
Le transizioni di fase causano la rottura della simmetria. Ad esempio, l'acqua liquida è piena di molecole che possono orientarsi in molte direzioni diverse. Ma congela quell'acqua e le molecole si bloccano in posizione in particolari posizioni. Interruzioni simili nella simmetria si verificano con le transizioni di fase superfluide negli esperimenti.
Tuttavia, dopo che l'elio superfluo ha attraversato le sue transizioni di fase, i vortici sono rimasti - protetti da pareti delimitate da stringhe. Insieme, i vortici e le pareti hanno formato difetti topologici compositi e sono sopravvissuti a transizioni di fase di rottura della simmetria. In questo modo, i ricercatori hanno scritto nel documento, questi oggetti rispecchiano i difetti che alcune teorie suggeriscono che si siano formati nell'universo primordiale.
Questo significa che Mäkinen e i suoi co-autori hanno capito come si è rotta la simmetria nell'universo primordiale? Assolutamente no. Il loro modello ha mostrato solo che alcuni aspetti delle "grandi teorie unificate" su come l'universo primordiale ha preso forma possono essere replicati in un laboratorio - in particolare, le parti di quelle teorie che implicano difetti topologici. Nessuna di queste teorie è ampiamente accettata dai fisici, e questo potrebbe essere un grande vicolo cieco teorico.
Ma il lavoro di Mäkinen apre le porte a più esperimenti per indagare su come questi tipi di difetti possano aver funzionato per modellare i momenti dopo il Big Bang. E questi studi insegnano sicuramente agli scienziati qualcosa di nuovo sul regno quantico, ha detto. La domanda aperta rimane: i fisici collegheranno mai in modo conclusivo questi dettagli sul minuscolo mondo quantico con il comportamento dell'intero universo?
