En el primer momento del universo, todo estaba caliente, denso y en perfecto equilibrio. No había partículas como las entenderíamos, mucho menos estrellas o incluso el vacío que impregna el espacio hoy. Todo el espacio estaba lleno de cosas homogéneas, sin forma y comprimidas.
Entonces, algo se deslizó. Toda esa estabilidad monótona se volvió inestable. La materia se impuso a su extraña prima, la antimateria, y llegó a dominar todo el espacio. Las nubes de esa materia se formaron y colapsaron en estrellas, que se organizaron en galaxias. Todo lo que sabemos comenzó a existir.
Entonces, ¿qué pasó para sacar al universo de su estado sin forma?
Los científicos aún no están seguros. Pero los investigadores han descubierto una nueva forma de modelar en un laboratorio el tipo de defecto que podría haber causado el gran desequilibrio del universo primitivo. En un nuevo artículo, publicado hoy (16 de enero) en la revista Nature Communications, los científicos mostraron que pueden usar helio sobreenfriado para modelar esos primeros momentos de existencia, específicamente, para recrear un posible conjunto de condiciones que pueden haber existido solo después del Big Bang
Eso es importante porque el universo está lleno de actos de equilibrio que los físicos llaman "simetrías".
Algunos ejemplos importantes: las ecuaciones físicas funcionan de la misma manera tanto hacia adelante como hacia atrás en el tiempo. Hay suficientes partículas cargadas positivamente en el universo para cancelar todas las partículas cargadas negativamente.
Pero a veces, las simetrías se rompen. Una esfera perfecta equilibrada en la punta de una aguja cae de una manera u otra. Dos lados idénticos de un imán se separan en los polos norte y sur. La materia vence a la antimateria en el universo primitivo. Partículas fundamentales específicas emergen de la falta de forma del universo primitivo e interactúan entre sí a través de fuerzas discretas.
"Si damos por sentado la existencia del Big Bang, el universo indudablemente ha sufrido algunas transiciones que rompen la simetría", dijo a Live Science Jere Mäkinen, autor principal del estudio y estudiante de doctorado en la Universidad de Aalto en Finlandia.
¿Necesitas pruebas? Está a nuestro alrededor. Cada mesa y silla y ornitorrinco con pico de pato y galaxia es evidencia de que algo sacó al universo primitivo de su estado plano inicial y lo introdujo en su complejidad actual. Estamos aquí en lugar de ser potencialidades en un vacío uniforme. Entonces, algo rompió esa simetría.
Los físicos llaman a algunas de las fluctuaciones aleatorias que rompen la simetría "defectos topológicos".
En esencia, los defectos topológicos son puntos en los que algo se torna inestable en un campo uniforme. De repente, surge una interrupción. Esto puede suceder debido a interferencias externas, como en un experimento de laboratorio. O puede ocurrir al azar y misteriosamente, como los científicos sospechan que sucedió en el universo primitivo. Una vez que se forma un defecto topoligical, puede asentarse en el medio de un campo uniforme, como una roca que crea ondas en una corriente suave.
Algunos investigadores creen que tipos particulares de defectos topológicos en las cosas sin forma del universo primitivo pueden haber jugado un papel en esas primeras transiciones que rompen la simetría. Esos defectos pueden haber incluido estructuras llamadas "vórtices semicánticos" (patrones de energía y materia que se parecen un poco a los remolinos) y "muros delimitados por cuerdas" (estructuras magnéticas hechas de muros bidimensionales delimitados a cada lado por dos uno a otro). "cadenas" dimensionales). Esas estructuras que emergen espontáneamente afectan el flujo de materia en sistemas simétricos, y algunos investigadores sospechan que estas estructuras jugaron un papel en agrupar el universo en las estrellas y galaxias que vemos hoy.
Los investigadores habían creado previamente este tipo de defectos en los campos magnéticos de los gases y los superconductores sobreenfriados en sus laboratorios. Pero los defectos surgieron individualmente. La mayoría de las teorías que usan defectos topológicos para explicar el origen del universo moderno involucran defectos "compuestos", dijo Mäkinen, más de un defecto trabajando en concierto.
Mäkinen y sus coautores diseñaron un experimento con helio líquido enfriado a fracciones de un grado por encima del cero absoluto y exprimido en pequeñas cámaras. En la oscuridad de esas pequeñas cajas, surgieron vórtices semánticos en el helio sobreenfriado.
Luego, los investigadores cambiaron las condiciones del helio, haciendo que pasara por una serie de transiciones de fase entre dos tipos diferentes de superfluidos, o fluidos sin viscosidad. Estas son transiciones de fase similares al agua que se convierte de un sólido en un líquido o un gas, pero en condiciones mucho más extremas.
Las transiciones de fase provocan la ruptura de la simetría. Por ejemplo, el agua líquida está llena de moléculas que pueden orientarse en muchas direcciones diferentes. Pero congele esa agua, y las moléculas se bloquean en su lugar en posiciones particulares. Se producen interrupciones similares en la simetría con las transiciones de fase superfluidas en los experimentos.
Aún así, después de que el helio superfluido pasó por sus transiciones de fase, los vórtices permanecieron protegidos por muros delimitados por cuerdas. Juntos, los vórtices y las paredes formaron defectos topológicos compuestos y sobrevivieron a las transiciones de fase de ruptura de simetría. De esa manera, escribieron los investigadores en el artículo, estos objetos reflejaban defectos que algunas teorías sugieren que se formaron en el universo primitivo.
¿Significa esto que Mäkinen y sus coautores han descubierto cómo se rompió la simetría en el universo primitivo? Absolutamente no. Su modelo mostró solo que ciertos aspectos de las "grandes teorías unificadas" de cómo tomó forma el universo primitivo pueden replicarse en un laboratorio, específicamente, las partes de esas teorías que involucran defectos topológicos. Ninguna de esas teorías es ampliamente aceptada por los físicos, y todo esto podría ser un gran callejón sin salida teórico.
Pero el trabajo de Mäkinen abre la puerta a más experimentos para investigar cómo este tipo de defectos pueden haber funcionado para dar forma a los momentos posteriores al Big Bang. Y estos estudios definitivamente enseñan a los científicos algo nuevo sobre el reino cuántico, dijo. La pregunta abierta sigue siendo: ¿Alguna vez los físicos vincularán de manera concluyente estos detalles sobre el pequeño mundo cuántico con el comportamiento del universo entero?
