宇宙の最初の瞬間に戻ると、すべてが熱く、密度が高く、完璧なバランスでした。私たちが理解しているような粒子はなく、今日の宇宙に浸透する星や真空さえもありませんでした。空間全体が均一で形のない、圧縮されたもので満たされていました。
その後、何かが滑った。その単調な安定性はすべて不安定になりました。マターはその奇妙ないとこ、アンチマターを勝ち取り、宇宙全体を支配するようになりました。その物質の雲が形成されて星に崩壊し、それが銀河に組織化されました。私たちが知っているすべてが存在し始めました。
それでは、宇宙をその形のない状態から傾けるために何が起こったのでしょうか？
科学者たちはまだ確信がありません。しかし、研究者たちは、初期宇宙の大きな不均衡を引き起こしたかもしれない種類の欠陥を実験室でモデル化する新しい方法を見つけました。ネイチャーコミュニケーションズ誌で本日（1月16日）に発行された新しい論文では、科学者は過冷却ヘリウムを使用して、存在の最初の瞬間をモデル化できることを示しました。具体的には、存在していた可能性がある条件のセットを再作成しますビッグバンの後。
宇宙は物理学者が「対称性」と呼ぶバランスのとれた行為でいっぱいなので、それは重要です。
いくつかの主要な例：物理方程式は、時間的に順方向と逆方向の両方で同じように機能します。宇宙には、すべての負に帯電した粒子をキャンセルするのに十分な正に帯電した粒子があります。
しかし、時々、対称性が壊れます。針の先端でバランスの取れた完全な球体は、何らかの方法で落下します。磁石の2つの同じ側が北極と南極に分かれています。初期物質では、物質が反物質に勝ちます。特定の基本粒子は、初期の宇宙の無形から出現し、離散的な力を介して互いに相互作用します。
「我々が与えられたようにビッグバンの存在を考えるならば、宇宙は間違いなくいくつかの対称性を破る移行を経験している」と研究の主執筆者であり、フィンランドのアールト大学の博士課程の学生であるイェレ・マキネンはライブサイエンスに語った。
証拠が必要ですか？それは私たちの周りです。すべてのテーブルと椅子、銀河、アヒルが請求されたカモノハシは、何かが初期の平らな状態から現在の複雑さへと初期宇宙を傾けたことの証拠です。私たちは、一様な空洞の可能性ではなく、ここにいます。つまり、何かがその対称性を壊しました。
物理学者は、対称性を壊すランダムな変動のいくつかを「トポロジカルな欠陥」と呼んでいます。
本質的に、トポロジー上の欠陥は、他の点では均一なフィールドで何かが不安定になるスポットです。一度に混乱が生じます。これは、実験室実験のように、外部干渉が原因で発生する可能性があります。あるいは、科学者が初期の宇宙で起こったと疑っているように、それはランダムにそして神秘的に起こるかもしれません。トポロジー上の欠陥が形成されると、滑らかな小川に波紋を作成する岩のように、均一なフィールドの真ん中に配置できます。
一部の研究者は、初期の宇宙の形のないものにおける特定の種類のトポロジーの欠陥が、これらの最初の対称性を破る遷移において役割を果たす可能性があると信じています。これらの欠陥には、「半量子渦」（エネルギーと渦のように見える物質のパターン）と呼ばれる構造と、「ひもで囲まれた壁」（2つの1で両側に囲まれた2次元の壁で作られた磁気構造）が含まれている可能性があります。次元「文字列」）。これらの自然発生的な構造は、他の点では対称的なシステムの物質の流れに影響を及ぼし、一部の研究者は、これらの構造が宇宙を今日の星や銀河にまとめる役割を果たしたと考えています。
研究者たちは以前に、研究室で過冷却ガスと超伝導体の磁場にこの種の欠陥を作り出していました。しかし、欠陥は個別に現れました。現代の宇宙の起源を説明するためにトポロジカルな欠陥を使用するほとんどの理論は「複合」欠陥を含むとマキネンは言いました-複数の欠陥が協調して働いています。
マキネンと彼の共同執筆者は、絶対零度を超える程度に冷却され、小さなチャンバーに押し込まれた液体ヘリウムを含む実験を設計しました。それらの小さな箱の暗闇の中で、半量子渦が過冷却されたヘリウムに現れました。
次に、研究者はヘリウムの条件を変更し、2種類の超流動体、または粘性のない液体の間で一連の相転移を起こさせました。これらは、固体から液体または気体に変わる水に似た相転移ですが、はるかに極端な条件下です。
相転移は対称性を壊します。たとえば、液体の水には多くの異なる方向に配向できる分子がたくさんあります。しかし、その水を凍結すると、分子が特定の位置に固定されます。同様の対称性の破れが実験の超流動相転移で起こります。
それでも、超流動ヘリウムがその相転移を経た後、渦は残りました-ストリングで囲まれた壁によって保護されました。一緒に、渦と壁は複合トポロジー欠陥を形成し、対称性を破る相転移を生き延びた。そのようにして、研究者は論文に書いた、これらのオブジェクトは、いくつかの理論が初期宇宙で形成されたことを示唆する欠陥を反映しています。
これは、マキネンと彼の共著者が初期宇宙で対称性がどのように崩れたかを理解したことを意味しますか？絶対違う。彼らのモデルは、初期の宇宙がどのようにその形をとったかについての「大統一理論」の特定の側面、特にトポロジーの欠陥を含むそれらの理論の部分が研究室で再現できることのみを示した。それらの理論はどれも物理学者に広く受け入れられておらず、これはすべて大きな理論的な行き止まりになる可能性があります。
しかし、マキネンの研究は、これらの種類の欠陥がビッグバン後の瞬間を形作るためにどのように機能したのかを調査するためのさらなる実験への扉を開きます。そして、これらの研究は間違いなく科学者に量子領域について何か新しいことを教えている、と彼は言った。未解決の問題が残っています。物理学者は、小さな量子世界に関するこれらの詳細を宇宙全体の振る舞いと決定的に結びつけるでしょうか？
