Tillbaka i universums första ögonblick var allt varmt och tätt och i perfekt balans. Det fanns inga partiklar som vi skulle förstå dem, mycket mindre några stjärnor eller till och med vakuumet som genomsyrar rymden idag. Hela rymden fylldes med homogena, formlösa, komprimerade saker.
Då gled något. All den monotona stabiliteten blev instabil. Matter vann över sin konstiga kusin, antimatter, och kom att dominera hela rymden. Moln av den materien bildades och kollapsade till stjärnor, som organiserades i galaxer. Allt vi vet om började existera.
Så, vad hände för att tippa universumet ur dess formlösa tillstånd?
Forskare är fortfarande inte säkra. Men forskare har kommit fram till ett nytt sätt att i ett laboratorium modellera den typ av fel som kan ha orsakat den stora obalansen i det tidiga universum. I en ny artikel, publicerad idag (16 jan) i tidskriften Nature Communications, visade forskare att de kan använda superkyld helium för att modellera dessa första tillfällen - specifikt för att skapa en möjlig uppsättning villkor som kan ha existerat just efter Big Bang.
Det är viktigt eftersom universum är fullt av balanserande handlingar som fysiker kallar "symmetrier."
Några viktiga exempel: Fysikekvationer fungerar på samma sätt både framåt och bakåt i tiden. Det finns tillräckligt med positivt laddade partiklar i universum för att avbryta alla negativt laddade partiklar.
Men ibland bryts symmetrier. En perfekt sfär balanserad på spetsen av en nål faller på ett eller annat sätt. Två identiska sidor av en magnet separerar i nord- och sydpoler. Matter vinner över antimateria i det tidiga universum. Specifika grundläggande partiklar kommer ut ur det tidiga universums formlöshet och interagerar med varandra via diskreta krafter.
"Om vi tar Big Bangs existens som givet, har universumet utan tvekan genomgått några symmetribrytande övergångar," berättade Jere Mäkinen, huvudförfattaren till studien och en doktorand vid Aalto-universitetet i Finland, till Live Science.
Behöver du bevis? Det är runt omkring oss. Varje bord och stol och galax och ankedjutad platypus är bevis på att något tippade det tidiga universum ur sitt tidiga, platta tillstånd och i dess nuvarande komplexitet. Vi är här istället för att vara potentialer i ett enhetligt tomrum. Så något bröt den symmetrin.
Fysiker kallar några av de slumpmässiga fluktuationerna som bryter symmetri "topologiska defekter."
I huvudsak är topologiska defekter fläckar där något går vackert i ett annars enhetligt fält. Samtidigt uppstår en störning. Detta kan hända på grund av störningar utanför, som i ett labbexperiment. Eller så kan det hända slumpmässigt och på mystiskt sätt, som forskare misstänker hänt i det tidiga universum. När en topoligisk defekt bildas kan den sitta mitt i ett enhetligt fält, som en stenblock som skapar krusningar i en jämn ström.
En del forskare tror att särskilda typer av topologiska defekter i det tidlösa universums formlösa grejer kan ha spelat en roll i de första symmetribrytande övergångarna. Dessa defekter kan ha inkluderat strukturer som kallas "halva kvantvortekser" (mönster av energi och materia som ser lite ut som bubbelpooler) och "väggar avgränsade av strängar" (magnetiska strukturer tillverkade av tvådimensionella väggar som är avgränsade på en sida av två en- dimensionella "strängar"). De spontant växande strukturerna påverkar materialflödet i annars symmetriska system, och vissa forskare misstänker att dessa strukturer spelade en roll i att klumpa samman universum i stjärnorna och galaxerna vi ser idag.
Forskare hade tidigare skapat sådana fel i magnetfältet i superkylda gaser och superledare i sina laboratorier. Men felen uppstod individuellt. De flesta teorier som använder topologiska defekter för att förklara ursprunget till det moderna universum involverar "sammansatta" defekter, sade Mäkinen - mer än en defekt som arbetar i samverkan.
Mäkinen och hans medförfattare utformade ett experiment med flytande helium kylt till fraktioner av en grad över absolut noll och pressas in i små kammare. I mörkret i de små lådorna uppstod halvkvantvorteks i den superkylda helium.
Sedan ändrade forskarna villkoren för helium, vilket fick den att gå igenom en serie fasövergångar mellan två olika typer av överflöden, eller vätskor utan viskositet. Dessa är fasövergångar som liknar vatten som förvandlas från ett fast ämne till en vätska eller en gas, men under mycket mer extrema förhållanden.
Fasövergångar gör att symmetri går sönder. Till exempel är flytande vatten fullt av molekyler som kan orientera sig i många olika riktningar. Men frysa det vattnet, och molekylerna fastnar på plats i speciella positioner. Liknande pauser i symmetri händer med överflödiga fasövergångar i experimenten.
Fortfarande, efter att den överflödiga heliumen hade genomgått sina fasövergångar, förblev virvlarna - skyddade av väggar avgränsade av strängar. Tillsammans bildade virvlarna och väggarna sammansatta topologiska defekter och överlevde symmetri-brytande fasövergångar. På det sättet skrev forskarna i uppsatsen, dessa objekt speglade defekter som vissa teorier föreslår bildade i det tidiga universum.
Betyder det att Mäkinen och hans medförfattare har räknat ut hur symmetri bröt i det tidiga universum? Absolut inte. Deras modell visade bara att vissa aspekter av "stora enhetliga teorier" om hur det tidiga universumet tog sin form kan replikeras i ett laboratorium - specifikt de delar av de teorier som involverar topologiska defekter. Ingen av dessa teorier är allmänt accepterade av fysiker, och allt detta kan vara en stor teoretisk återvändsgränd.
Men Mäkinens verk öppnar dörren till fler experiment för att undersöka hur dessa slags fel kan ha fungerat för att forma ögonblicken efter Big Bang. Och dessa studier lär definitivt forskare något nytt om kvantområdet, sa han. Den öppna frågan kvarstår: Kommer fysiker någonsin att slutgiltigt koppla dessa detaljer om den lilla kvantvärlden med uppförandet av hela universum?
