In het eerste moment van het universum was alles heet en dicht en in perfecte balans. Er waren geen deeltjes zoals we ze zouden begrijpen, laat staan sterren of zelfs het vacuüm dat tegenwoordig de ruimte doordringt. De hele ruimte was gevuld met homogene, vormloze, gecomprimeerde dingen.
Toen is er iets misgegaan. Al die eentonige stabiliteit werd instabiel. Materie won het van zijn rare neef, antimaterie, en ging de hele ruimte domineren. Wolken van die materie vormden zich en stortten in tot sterren, die georganiseerd werden in sterrenstelsels. Alles wat we weten, begon te bestaan.
Dus wat is er gebeurd om het universum uit zijn vormloze staat te tippen?
Wetenschappers weten het nog steeds niet zeker. Maar onderzoekers hebben een nieuwe manier bedacht om in een laboratorium het soort defect te modelleren dat de grote onbalans van het vroege universum had kunnen veroorzaken. In een nieuw artikel, dat vandaag (16 januari) in het tijdschrift Nature Communications is gepubliceerd, toonden wetenschappers aan dat ze onderkoeld helium kunnen gebruiken om die eerste momenten van bestaan te modelleren - met name om een mogelijke reeks voorwaarden te herscheppen die mogelijk bestonden na de oerknal.
Dat is belangrijk omdat het universum vol zit met evenwichtsoefeningen die natuurkundigen 'symmetrieën' noemen.
Enkele belangrijke voorbeelden: natuurkundevergelijkingen werken op dezelfde manier, zowel vooruit als achteruit in de tijd. Er zijn net genoeg positief geladen deeltjes in het heelal om alle negatief geladen deeltjes op te heffen.
Maar soms breken symmetrieën. Een perfecte bol die op de punt van een naald is uitgebalanceerd, valt op de een of andere manier. Twee identieke zijden van een magneet scheiden zich in de noord- en zuidpool. Materie wint van antimaterie in het vroege universum. Specifieke fundamentele deeltjes komen tevoorschijn uit de vormloosheid van het vroege universum en gaan via discrete krachten met elkaar in wisselwerking.
"Als we het bestaan van de oerknal als gegeven beschouwen, heeft het universum ongetwijfeld enkele symmetrie-brekende overgangen ondergaan", vertelde Jere Mäkinen, de hoofdauteur van de studie en een doctoraatsstudent aan de Aalto Universiteit in Finland, aan WordsSideKick.com.
Bewijs nodig? Het is overal om ons heen. Elke tafel en stoel en elk melkwegstelsel en vogelbekdier is een bewijs dat iets het vroege universum uit zijn vroege, platte staat heeft getipt en in zijn huidige complexiteit. We zijn hier in plaats van mogelijkheden te zijn in een uniforme leegte. Dus iets brak die symmetrie.
Natuurkundigen noemen enkele van de willekeurige fluctuaties die de symmetrie doorbreken 'topologische defecten'.
Topologische defecten zijn in wezen plekken waar iets wankel wordt in een anders uniform veld. Opeens ontstaat er een storing. Dit kan gebeuren door interferentie van buitenaf, zoals in een laboratoriumexperiment. Of het kan willekeurig en mysterieus gebeuren, zoals wetenschappers vermoeden in het vroege universum. Zodra een topoligisch defect is gevormd, kan het in het midden van een uniform veld zitten, zoals een rotsblok dat rimpelingen in een vloeiende stroom veroorzaakt.
Sommige onderzoekers zijn van mening dat bepaalde soorten topologische defecten in het vormloze materiaal van het vroege universum mogelijk een rol hebben gespeeld bij die eerste symmetrie-brekende overgangen. Die defecten kunnen structuren bevatten die "half-kwantumwervelingen" worden genoemd (patronen van energie en materie die een beetje op draaikolken lijken) en "muren die worden begrensd door snaren" (magnetische structuren gemaakt van tweedimensionale muren die aan weerszijden worden begrensd door twee één- dimensionale "snaren"). Die spontaan opkomende structuren beïnvloeden de stroom van materie in anders-symmetrische systemen, en sommige onderzoekers vermoeden dat deze structuren een rol speelden bij het samenklonteren van het universum in de sterren en sterrenstelsels die we tegenwoordig zien.
Onderzoekers hadden dit soort defecten eerder gecreëerd in de magnetische velden van onderkoelde gassen en supergeleiders in hun laboratoria. Maar de gebreken kwamen individueel naar voren. De meeste theorieën die gebruik maken van topologische defecten om de oorsprong van het moderne universum te verklaren, omvatten 'samengestelde' defecten, zei Mäkinen - meer dan één defect werkte samen.
Mäkinen en zijn co-auteurs ontwierpen een experiment waarbij vloeibaar helium werd gekoeld tot fracties van een graad boven het absolute nulpunt en in kleine kamers werd geperst. In de duisternis van die kleine doosjes kwamen half-kwantumwervelingen tevoorschijn in het onderkoelde helium.
Vervolgens veranderden de onderzoekers de condities van het helium, waardoor het door een reeks faseovergangen ging tussen twee verschillende soorten superfluids, of vloeistoffen zonder viscositeit. Dit zijn faseovergangen die lijken op water dat verandert van een vaste stof in een vloeistof of een gas, maar onder veel extremere omstandigheden.
Faseovergangen zorgen ervoor dat symmetrie breekt. Zo zit vloeibaar water vol met moleculen die zich in veel verschillende richtingen kunnen oriënteren. Maar als je dat water bevriest, worden de moleculen op bepaalde posities vastgezet. Soortgelijke symmetrieonderbrekingen treden op bij de superfluïde faseovergangen in de experimenten.
Maar nadat het superfluïde helium zijn faseovergangen had doorgemaakt, bleven de wervelingen - beschermd door muren begrensd door snaren. Samen vormden de wervels en de muren samengestelde topologische defecten en overleefden symmetrie-brekende faseovergangen. Op die manier, schreven de onderzoekers in de paper, weerspiegelden deze objecten defecten die volgens sommige theorieën in het vroege universum zijn ontstaan.
Betekent dit dat Mäkinen en zijn co-auteurs hebben uitgezocht hoe symmetrie in het vroege universum is gebroken? Absoluut niet. Hun model toonde alleen aan dat bepaalde aspecten van "grote verenigde theorieën" over hoe het vroege universum zijn vorm kreeg, kunnen worden gerepliceerd in een laboratorium - met name de delen van die theorieën die betrekking hebben op topologische defecten. Geen van deze theorieën wordt algemeen aanvaard door natuurkundigen, en dit zou allemaal een grote theoretische doodlopende weg kunnen zijn.
Maar Mäkinen's werk opent de deur naar meer experimenten om te onderzoeken hoe dit soort defecten mogelijk de momenten na de oerknal hebben gevormd. En deze studies leren wetenschappers zeker iets nieuws over het kwantumrijk, zei hij. De open vraag blijft: zullen natuurkundigen deze details over de kleine kwantumwereld ooit definitief verbinden met het gedrag van het hele universum?
