Поколения наред физиците са били уверени, че законите на физиката са напълно симетрични. Докато не се оказа, че това не е вярно.
Симетрията е подредена и привлекателна идея, която се разпада в нашата неподредена вселена. Всъщност от 60-те години на миналия век насам се изисква някакъв вид нарушена симетрия, за да се обясни защо във Вселената има повече материя, отколкото антиматерия - защо изобщо съществува всичко наоколо.
Но установяването на източника на това екзистенциално нарушение на симетрията, дори намирането на доказателство за него, бе невъзможно.
Въпреки това в нова статия, публикувана в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, астрономи от Университета на Флорида са открили първото доказателство за това необходимо нарушение на симетрията в момента на сътворението. Учените от Университета на Флорида са изследвали над милион триизмерни четворки галактики (образуващи геометрично тяло с 4 върха или тетраедър) във Вселената и са открили, че в един момент Вселената е предпочела един набор от форми пред техните огледални образи.
Тази идея, известна като нарушаване на симетрията на четността, се отнася за безкрайно малък период от историята на нашата Вселена, когато законите на физиката са били различни от днешните, което е имало огромни последици за развитието на Вселената.
Откритието, установено с висока степен на статистическа достоверност (7.1σ), има две основни последствия. Първо, това нарушение на четността би могло да се отрази върху бъдещите галактики само по време на период на екстремна инфлация в най-ранните моменти от съществуването на Вселената, потвърждавайки централния компонент на теорията за Големия взрив за произхода на космоса.
Нарушението на четността би помогнало да се даде отговор на може би най-важния въпрос в космологията: Защо има нещо, а не нищо? Това е така, защото нарушаването на четността е необходимо, за да се обясни защо има повече материя, отколкото антиматерия - съществено условие, за да се формират галактиките, звездите, планетите и животът по начина, по който са се формирали.
"Винаги съм се интересувал от големите въпроси за Вселената. Какво е началото на Вселената? Какви са правилата, по които тя се развива? Защо има нещо, а не нищо?", коментира Закари Слепиан (Zachary Slepian), професор по астрономия в Университета на Калифорния, който е ръководител на новото изследване. "Тази работа отговаря на тези големи въпроси."
Слепиан работи с докторанта от Университета на Флорида и първи автор на изследването, Дзямин Хоу (Jiamin Hou), и физика от Националната лаборатория "Лорънс Бъркли" Робърт Кан (Robert Cahn), за да извърши анализа. Тримата публикуват своите открития на 22 май в списанието Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Същите изследователи за първи път предлагат идеята за търсене на нарушаване на четността с помощта на четворки от галактики в статия, която също е публикувана наскоро във Physical Review Letters.
Симетрията на четността е идеята, че физичните закони не трябва да предпочитат една форма пред нейния огледален образ.
За да опишат тази особеност, учените обикновено използват термина "хиралност", тъй като лявата и дясната ръка са огледални образи, които всички познаваме. Няма начин да завъртите лявата си ръка в три измерения, за да я накарате да изглежда като дясната, което означава, че те винаги се различават една от друга.
Нарушаването на четността би означавало, че Вселената наистина има предпочитания към леви или десни форми. За да открият хиралната форма на Вселената, в лабораторията на Слепиан си представят всички възможни комбинации от четири галактики, свързани с въображаеми линии в пространството. Така се получава триизмерен обект, наречен тетраедър, подобен на наклонена пирамида с триъгълна основа - най-простата форма, която може да има различаващ се огледален образ. Те определят дясно- и лявоориентирани галактически тетраедри въз основа на това как галактиките са свързани с най-близките и най-далечните си партньори в тези въображаеми форми.
Методът им изисква анализ на трилион въображаеми тетраедъра за всяка от един милион галактики, което е умопомрачителен брой комбинации. "В крайна сметка разбрахме, че ни трябва нова математика", разказва Слепиан.
Затова екипът на Слепиан разработва сложни математически формули, които позволяват огромните изчисления да бъдат извършени за разумен период от време. Все пак това изисква значителна изчислителна мощност. "Уникалната технология на Университета на Флорида, с която разполагаме тук, със суперкомпютъра HiPerGator, ни позволи да стартираме анализа хиляди пъти с различни настройки, за да проверим резултата си", разказва Слепиан.
Поради техническите аспекти на анализа е трудно да се каже дали Вселената предпочита "дясноориентирани" или "лявоориентирани" форми, но учените виждат ясни доказателства, че космосът има предпочитания. Те установяват откритието си със степен на сигурност, известна като 7 сигма (7.1σ) - мярка за това колко малко вероятно е резултатът да бъде постигнат само въз основа на случайност. Във физиката резултат със стойност на 5 сигма (5σ) или повече обикновено се счита за надежден, тъй като вероятността за случаен резултат на това ниво е изключително малка. Подобен анализ, извършен от бивш член на лабораторията на Слепиан, идентифицира същото универсално предпочитание към формата, макар и с малко по-малка статистическа достоверност поради разликите в схемата на изследването.
Въпреки че учените са уверени в този сигнал за нарушаване на четността, остава възможно несигурността в основните измервания да обяснява асиметрията. За щастие много по-големи извадки от галактики от телескопи от следващо поколение биха могли да предоставят достатъчно данни, за да заличат тези несигурности само след няколко години. Групата на Слепиан в Университета на Флорида ще извърши своя анализ на тези нови, по-стабилни данни като част от екипа на телескопа Dark Energy Spectroscopic Instrument.
Това не е първият случай на нарушение на четността, но е първото доказателство за нарушение на четността, което може да повлияе на триизмерното струпване на галактики във Вселената. Една от фундаменталните сили, слабата сила, също нарушава четността. Но нейният обхват е изключително ограничен и тя не може да повлияе в галактически мащаб. Влиянието върху галактиките би изисквало нарушението на четността да се случи точно в момента на Големия взрив - период, известен като инфлация.
"Тъй като нарушаването на четността може да се отрази на Вселената само по време на инфлацията, ако това, което открихме, е вярно, то предоставя убедително доказателство, че инфлацията се е случила", отбелязва Слепиан.
Нарушението на четността на слабите сили също не може да обясни изобилието на материя. В една симетрична вселена Големият взрив би трябвало да създаде равни количества материя и антиматерия, които биха се унищожили взаимно и биха оставили вселената без звезди и планети. Тъй като явно сме се оказали във Вселена, изградена предимно от материя, физиците отдавна търсят някакъв знак за асиметрия в ранното сътворение.
Откритията на лабораторията на Слепиан все още не могат да обяснят как сме се оказали с това решаващо изобилие от материя. Отговорът на въпроса "как" ще изисква нова физика, надхвърляща Стандартния модел, който обяснява настоящата ни Вселена. Но новите резултати навеждат на мисълта, че в най-ранните моменти на Големия взрив се е проявила асиметрия.
Сега учените се съревновават да създадат теория, която да обясни огледалното предпочитание на Вселената и излишъка на материя.
Справка:
Jiamin Hou et al, Measurement of parity-odd modes in the large-scale 4-point correlation function of Sloan Digital Sky Survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey twelfth data release CMASS and LOWZ galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad1062
Robert N. Cahn et al, Test for Cosmological Parity Violation Using the 3D Distribution of Galaxies, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.201002
Източник: The laws of physics have not always been symmetric, which may explain why you exist
University of Florida
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
1000
1
30.05 2023 в 08:37
Последни коментари