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    科普:奇特超流体可以解释宇宙的存在

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    分分pk拾 发表于 2019-1-19 09:08 | 只看该作者
    据国外媒体报道,回到宇宙最初时刻,一切事物都是热的、稠密的,处于完美平衡状态。那时不存在我们所理解的粒子,更不用说是任何恒星,以及现今太空中的真空。整个太空充满着均匀、无形、压缩物质。

    之后单调的稳定性变得不稳定,物质战胜了它的异类反物质,开始主宰整个宇宙空间。物质云团开始形成,并坍缩成恒星,逐渐组成星系,我们所知道的一切宇宙物质逐渐出现。

    那么,到底是什么使宇宙脱离了它的无定形状态呢?科学家仍不确定,但是研究人员现已找到一种新方法,可以在实验室里模拟可能导致早期宇宙严重失衡的缺陷。这项研究报告发表在1月16日出版的《自然通讯》上,科学家展示了他们可以使用超冷氦气模拟宇宙最初的时刻,具体而言,就是重新创造宇宙大爆炸之后存在的条件。

    这一点非常重要,因为宇宙充满了被物理学家称为“对称性”的平衡行为。例如:物理均势在时间上以相同的方式向前和向后运行,宇宙中带正电的粒子正好完全抵消所有带负电的粒子。

    但有的时候,这种对称性会被打破,一个在针尖上平衡的完美球体会朝向这个方向或者那个方向落下,磁体的两个完全相同侧面分离为南极和北极。在早期宇宙阶段,物质数量超过反物质数量。特定的基本粒子从早期宇宙的无定形状态中产生,并通过离散力相互作用。

    研究报告第一作者、芬兰阿尔托大学博士生杰雷·马金恩(Jere Mainen)称,如果我们将大爆炸的存在看作是理所当然的,那么宇宙无疑经历了一些打破对称性的转变。

    需要证明吗?它就在我们的身边,任何桌子、椅子、星系以及鸭嘴兽都可以证明,早期宇宙一些事物从扁平状态演变至现今的复杂状态。我们所处的空间并非统一空间,因此某些事物打破了这种对称性,物理学家将破坏对称性的随机波动称为“拓扑缺陷”。

    从本质上讲,拓扑缺陷是某些事物在另一个均匀场中出现不稳定的区域。一旦出现混乱,这可能是由于外部干扰所致,就像实验室里做试验一样,或者它们可以随机神秘出现,就像科学家猜测早期宇宙所发生的那样,一旦拓扑缺陷形成,就会位于均匀场中心位置,像一块卵石在平滑溪流中产生的涟漪。

    一些研究人员认为,早期宇宙中无定形物质的某些特定拓扑缺陷可能在首次打破对称性的转变中发挥重要作用。这些缺陷可能包括被称为“半量子旋涡”(看上去有点像漩涡的能量和物质模型)和“弦物质约束壁”(由二维或者一维“弦”约束的二维壁组成的磁结构)。这些自发形成结构影响着物质在其它对称系统中的流动,一些研究人员对此表示怀疑。

    之前研究人员在实验室中使用冷气体和超导体磁场制造了这类缺陷,但是这种缺陷是单独出现的。大多数使用拓扑缺陷来解释现代宇宙起源的理论都涉及“复合缺陷”,马金恩称,多个缺陷协同工作运行。

    马金恩和他的研究合著作者设计了一项实验,实验中液氦冷却至绝对零度之上一度的几分之一,然后再压缩到一个小容器里。在这个黑暗的小容器中,超冷氦中出现了半量子旋涡。

    之后研究人员改变了氦的状态,使它在两种不同超流体或者无粘性流体之间经历一系列相变,类似于水从固体变成液体或者气体,但是在更极端的条件下完成。

    相变导致对称性断裂,例如:液态水中充满了可以向许多不同方向定向的分子,但是水冷冻之后,分子会被锁定在特定位置,在实验中,超流体相变也发生了类似的对称性断裂。

    尽管如此,在超流体氦经历相变之后,旋涡仍然受弦束缚壁的保护。旋涡和壁画共同形成复合拓扑缺陷结构,并在对称性破坏的相变中存在。研究人员指出,通过这种方式,这些物质镜像了一些被认为早期宇宙中形成的缺陷。

    这是否意味着马金恩和合著作者已经发现宇宙中对称性是如何被打破的?绝对不是,他们的模型仅表明,关于早期宇宙如何形成“大统一理论”的某些方面可以在实验室复制,特别是那些涉及拓扑缺陷的理论部分。这些理论没有一个被物理学家广泛接受,这可能是一个很大的“理论死胡同”。

    但是马金恩的研究工作确定为更多的实验打开了大门,这些实验旨在研究分析缺陷结构是如何作用于大爆炸之后的瞬间时刻,这些研究无疑教会科学家一些关于量子领域的新事物,他说:“目前还有一个悬而未决的问题,物理学家是否会将这些关于微小量子世界的细节与整个宇宙行为联系在一起?(叶倾城)
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