在宇宙誕生的最初時刻，一切都是熾熱而密集的，處於完美的平衡狀態。 我們理解中沒有粒子，更不用說任何恆星或今天充滿太空的真空了。 整個空間充滿了均勻的、無形的、壓縮的物質。 這種物質被稱為原始等離子體，它是夸克和膠子的極端狀態，它們是如此熾熱和緻密，以至於它們無法形成穩定的原子核或原子。
然後，出了點問題。 所有單調的穩定性都變得不穩定。 物質戰勝了它奇怪的表親反物質，並開始統治整個空間。 物質雲形成並坍縮成恆星，而恆星又形成星系。 我們所知道的一切都開始存在。
那麼，是什麼導致了宇宙從看不見的狀態轉變呢？ 科學家們仍然不確定。 但研究人員已經找到了一種新方法，可以在實驗室中模擬可能導致早期宇宙失衡的缺陷。 在一篇新文章中，科學家們表明，他們可以使用超冷氦來模擬宇宙存在的最初時刻——具體來說，就是在重現大**之後可能存在的條件。 這很重要，因為宇宙充滿了物理學家所說的平衡形式的“對稱性”。
一些主要的例子：物理方程在時間的正向和負向上都是相同的。 這被稱為時間反轉對稱性，這意味著物理過程不依賴於時間的方向。 宇宙中帶正電的粒子的數量剛好足以抵消所有帶負電的粒子。 這就是電荷守恆，這意味著電荷總量不會改變。
但有時，對稱性被打破了。 乙個完美的球體在針尖上保持平衡，會落到一側或另一側。 這稱為自發對稱性破壞，這意味著系統的基態不再具有原始對稱性。 磁鐵的兩個相同邊分為北極和南極。 這就是磁單極子，它是一種假想粒子，只有乙個極點而不是一對。 物質在宇宙早期戰勝了反物質。 這就是物質反物質不對稱性，這是乙個未解之謎，表明宇宙中存在一種偏愛物質的機制。 特定的基本粒子從早期宇宙中看不見的事物中出現，並通過離散力相互作用。 這是粒子物理學的標準模型，它是一種描述基本粒子和三種基本相互作用（強、弱和電磁）的理論。
如果我們把大**的存在作為乙個既定的事實，那麼宇宙無疑已經經歷了一些對稱性破壞的轉變，“該研究的主要作者、芬蘭阿爾托大學的博士生Jerre Makinen說。 需要證據嗎？ 他們就在我們身邊。 每一張桌子、每把椅子、每個星系和每只鴨嘴獸都證明了是什麼將宇宙從早期的平坦狀態轉變為現在的複雜性。 我們在這裡，而不是在乙個同質的虛空中成為一種可能性。 所以，有一些東西打破了這種對稱性。
物理學家將一些破壞對稱性的隨機漲落稱為“拓撲缺陷”。
你一定很好奇，什麼是拓撲缺陷，其實是物理體系中破壞對稱性的現象，它們通常是由於系統的不同部分在發生相變時選擇不同的真空狀態而形成的。 拓撲缺陷有不同型別，如點缺陷、線缺陷、表面缺陷和體積缺陷，它們的形成和性質可以用數學拓撲理論來描述。 拓撲缺陷在宇宙學、凝聚態物理和粒子物理等領域具有重要的應用和研究價值。
從本質上講，拓撲缺陷位於出現一些異常的均勻場中。 突然出現干擾。 這可能是由於外部干擾，例如在實驗中。 或者它可能是隨機和神秘地發生的，正如科學家懷疑的那樣，它發生在宇宙的早期。 一旦形成拓撲缺陷，它就可以停留在均勻的場中，就像巨石在平穩的水流中產生漣漪一樣。
一些研究者認為，早期宇宙中不可見物質中的某種特殊型別的拓撲缺陷可能在宇宙最初的對稱性破壞轉變中發揮了作用。 這些缺陷可能包括一種稱為“半量子渦旋”的結構（看起來有點像漩渦中的能量和物質模式）和一種稱為“由弦定義的壁”的結構（由兩個二維壁定義的兩個一維“弦”組成的磁性結構）。 這些自發出現的結構影響了其他對稱系統中的物質流動，一些研究人員懷疑這些結構在將宇宙聚集在一起形成我們今天看到的恆星和星系方面發揮了作用。 拓撲缺陷的存在可以解釋一些宇宙學觀測，如宇宙微波背景輻射的不均勻性和宇宙磁場的起源。
研究人員之前已經在實驗室的超冷氣體和超導體磁場中製造了這些型別的缺陷。 但這些缺陷是單獨出現的。 Makinen說，大多數用拓撲缺陷來解釋現代宇宙起源的理論都涉及“復合”缺陷，即多個缺陷協同工作。
多重缺陷協同作用通常是指物理系統中不同型別或位置的缺陷之間的相互作用，以增強或降低系統的效能或功能。 例如，在光催化劑中，不同的缺陷位點會影響光吸收、載流子分離和表面反應等過程，從而增加或減少光催化活性和選擇性。
基於這一原理，Makkinen和他的合作者設計了乙個實驗，將液氦冷卻到絕對零度以上幾分之一度，並將其擠壓到微小的腔室中。 在那些小盒子的黑暗中，半量子漩渦在超冷氦**中出現。
然後，研究人員改變了氦的條件，使其在兩種不同型別的超流體（或非粘性流體）之間經歷了一系列相變。 這些相變類似於水從固體變為液體或氣體，但在更極端的條件下。
相變會導致對稱性斷裂。 例如，液態水中充滿了可以朝向不同方向的分子。 但是當你凍結水時，分子被鎖定在乙個特定的位置。 在實驗中的超流體相變中也發生了類似的對稱性破壞。
然而，在超流體氦的相變之後，渦旋仍然存在——由一圈繩子定義的壁保護著。 渦旋和壁面共同形成復合拓撲缺陷，並在對稱性破壞相變中倖存下來。 研究人員在**中寫道，這些物體反映了一些理論認為在早期宇宙中形成的缺陷。
這是否意味著馬基寧和他的合作者已經弄清楚了早期宇宙的對稱性是如何被打破的？ 當然不是。 他們的模型只顯示了“大統一理論”的某些方面，即早期宇宙如何形成的理論，可以在實驗室中複製 - 特別是那些處理拓撲缺陷的理論。 這些理論都沒有被物理學家廣泛接受，這可能都是乙個巨大的理論死胡同。
但Makinen的工作為更多的實驗開啟了大門，以探索這些型別的缺陷如何塑造重大的後時刻。 他說，這些研究無疑教會了科學家一些關於量子領域的新知識。 乙個懸而未決的問題是：物理學家最終能夠將這些關於微小量子世界的細節與整個宇宙的行為聯絡起來嗎？
要回答這個問題，我們需要更多的觀測資料和理論計算，以及更多創新的實驗，來驗證或反駁不同的宇宙學模型。 目前，我們不確定宇宙的起源和演化是否能用物理定律完全解釋，或者是否存在一些我們無法理解的因素。 然而，我們可以肯定的是，宇宙是乙個充滿神秘和美麗的地方，值得用最好的科學方法去探索和欣賞。