Trở lại khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ, mọi thứ đều nóng bỏng và dày đặc và cân bằng hoàn hảo. Không có bất kỳ hạt nào như chúng ta hiểu chúng, ít hơn bất kỳ ngôi sao hay thậm chí là chân không thấm vào không gian ngày nay. Toàn bộ không gian chứa đầy những thứ đồng nhất, vô hình, bị nén.
Sau đó, một cái gì đó trượt. Tất cả sự ổn định đơn điệu đó trở nên không ổn định. Vật chất đã chiến thắng người anh em kỳ lạ của nó, phản vật chất và đến thống trị toàn bộ không gian. Những đám mây của vật chất đó hình thành và sụp đổ thành những ngôi sao, được tổ chức thành các thiên hà. Tất cả mọi thứ mà chúng ta biết về bắt đầu tồn tại.
Vì vậy, những gì đã xảy ra để đưa vũ trụ ra khỏi trạng thái vô hình của nó?
Các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn. Nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm ra một cách mới để mô hình hóa trong phòng thí nghiệm loại khiếm khuyết có thể gây ra sự mất cân bằng lớn của vũ trụ sơ khai. Trong một bài báo mới, được công bố hôm nay (16/1) trên tạp chí Nature Communications, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng họ có thể sử dụng helium siêu lạnh để mô hình hóa những khoảnh khắc tồn tại đầu tiên - cụ thể là để tạo lại một tập hợp các điều kiện có thể tồn tại sau Vụ Nổ Lớn.
Điều đó quan trọng bởi vì vũ trụ chứa đầy các hành vi cân bằng mà các nhà vật lý gọi là "đối xứng".
Một số ví dụ chính: Phương trình vật lý hoạt động theo cùng một cách cả tiến và lùi theo thời gian. Chỉ có đủ các hạt tích điện dương trong vũ trụ để loại bỏ tất cả các hạt tích điện âm.
Nhưng đôi khi, đối xứng phá vỡ. Một quả cầu hoàn hảo cân bằng trên đầu kim rơi theo cách này hay cách khác. Hai mặt giống hệt nhau của một nam châm tách thành hai cực bắc và nam. Vật chất chiến thắng phản vật chất trong vũ trụ sơ khai. Các hạt cơ bản cụ thể xuất hiện từ sự vô hình của vũ trụ sơ khai và tương tác với nhau thông qua các lực rời rạc.
Jere Mäkinen, tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tại Đại học Aalto ở Phần Lan, nói: "Nếu chúng ta coi sự tồn tại của Big Bang như đã cho, vũ trụ chắc chắn đã trải qua một số chuyển đổi phá vỡ đối xứng".
Cần bằng chứng? Đó là tất cả xung quanh chúng ta. Mỗi bàn và ghế và thiên hà và mỏ vịt mỏ vịt là bằng chứng cho thấy một cái gì đó đã đẩy vũ trụ sơ khai ra khỏi trạng thái ban đầu, bằng phẳng và vào sự phức tạp hiện tại của nó. Chúng ta ở đây thay vì tiềm năng trong một khoảng trống thống nhất. Vì vậy, một cái gì đó đã phá vỡ sự đối xứng đó.
Các nhà vật lý gọi một số biến động ngẫu nhiên phá vỡ tính đối xứng là "khiếm khuyết tôpô".
Về bản chất, khiếm khuyết tôpô là những điểm mà một thứ gì đó trở nên khó khăn trong một lĩnh vực thống nhất khác. Tất cả cùng một lúc một sự gián đoạn xuất hiện. Điều này có thể xảy ra do sự can thiệp từ bên ngoài, như trong một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Hoặc nó có thể xảy ra ngẫu nhiên và bí ẩn, giống như các nhà khoa học nghi ngờ đã xảy ra trong vũ trụ sơ khai. Một khi một khiếm khuyết địa hình hình thành, nó có thể ngồi ở giữa một trường đồng nhất, giống như một tảng đá tạo ra những gợn sóng trong một dòng chảy trơn tru.
Một số nhà nghiên cứu tin rằng các loại khiếm khuyết tôpô đặc biệt trong những thứ vô hình của vũ trụ sơ khai có thể đã đóng một vai trò trong những chuyển đổi phá vỡ đối xứng đầu tiên. Những khiếm khuyết đó có thể bao gồm các cấu trúc gọi là "xoáy nửa lượng tử" (mô hình năng lượng và vật chất trông hơi giống xoáy nước) và "bức tường giới hạn bởi các chuỗi" (cấu trúc từ được tạo bởi các bức tường hai chiều được bao bọc bởi hai bên chiều "chuỗi"). Những cấu trúc nổi lên tự phát đó ảnh hưởng đến dòng chảy của vật chất trong các hệ đối xứng khác, và một số nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng những cấu trúc này đóng vai trò kết hợp vũ trụ lại với nhau thành các ngôi sao và thiên hà mà chúng ta thấy ngày nay.
Các nhà nghiên cứu trước đây đã tạo ra các loại khuyết tật này trong từ trường của các chất siêu dẫn và chất siêu dẫn trong phòng thí nghiệm của họ. Nhưng các khiếm khuyết nổi lên cá nhân. Hầu hết các lý thuyết sử dụng các khiếm khuyết tôpô để giải thích nguồn gốc của vũ trụ hiện đại liên quan đến các khiếm khuyết "tổng hợp", Mäkinen nói - nhiều hơn một khiếm khuyết làm việc trong buổi hòa nhạc.
Mäkinen và các đồng tác giả của ông đã thiết kế một thí nghiệm liên quan đến helium lỏng được làm lạnh đến các phân số có độ trên độ không tuyệt đối và vắt vào các buồng nhỏ. Trong bóng tối của những chiếc hộp nhỏ đó, những cơn lốc nửa lượng tử nổi lên trong helium siêu lạnh.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã thay đổi các điều kiện của helium, khiến nó trải qua một loạt các pha chuyển tiếp giữa hai loại siêu chất khác nhau, hoặc chất lỏng không có độ nhớt. Đây là những pha chuyển tiếp giống như nước biến từ chất rắn thành chất lỏng hoặc chất khí, nhưng trong những điều kiện khắc nghiệt hơn nhiều.
Chuyển pha gây ra sự đối xứng bị phá vỡ. Ví dụ, nước lỏng chứa đầy các phân tử có thể định hướng theo nhiều hướng khác nhau. Nhưng đóng băng nước đó và các phân tử bị khóa tại các vị trí cụ thể. Sự phá vỡ tương tự trong đối xứng xảy ra với các pha chuyển tiếp siêu lỏng trong các thí nghiệm.
Tuy nhiên, sau khi helium siêu lỏng trải qua các giai đoạn chuyển tiếp, các xoáy vẫn còn - được bảo vệ bởi các bức tường giới hạn bởi các chuỗi. Cùng với nhau, các xoáy và các bức tường tạo thành các khuyết tật tôpô tổng hợp và các giai đoạn chuyển tiếp phá vỡ đối xứng. Theo cách đó, các nhà nghiên cứu đã viết trong bài báo, những vật thể này phản chiếu những khiếm khuyết mà một số lý thuyết cho rằng hình thành trong vũ trụ sơ khai.
Điều này có nghĩa là Mäkinen và các đồng tác giả đã tìm ra cách đối xứng đã phá vỡ trong vũ trụ sơ khai? Tuyệt đối không. Mô hình của họ chỉ cho thấy rằng một số khía cạnh nhất định của "các lý thuyết thống nhất lớn" về cách thức vũ trụ sơ khai hình thành có thể được sao chép trong phòng thí nghiệm - cụ thể là các phần của những lý thuyết liên quan đến khiếm khuyết tôpô. Không có lý thuyết nào trong số đó được các nhà vật lý chấp nhận rộng rãi, và tất cả có thể là một ngõ cụt lý thuyết lớn.
Nhưng công việc của Mäkinen mở ra cơ hội cho nhiều thí nghiệm hơn để điều tra làm thế nào những loại khiếm khuyết này có thể hoạt động để định hình những khoảnh khắc sau Vụ nổ lớn. Và những nghiên cứu này chắc chắn dạy cho các nhà khoa học một cái gì đó mới về cõi lượng tử, ông nói. Câu hỏi mở vẫn là: Liệu các nhà vật lý có bao giờ kết luận một cách cụ thể những chi tiết này về thế giới lượng tử nhỏ bé với hành vi của toàn vũ trụ?
