Войти Регистрация

Войти

Космология в лабораторных условиях: эксперимент по нарушению симметрии

108488 1024 768

Каким образом материя (а потом и звезды с галактиками) появилась из изначально симметричной Вселенной? Как «сломалась» первичная симметрия? Конечно, Большой взрыв невозможно воспроизвести экспериментально. Но принцип симметрии и его нарушения в лабораторных условиях изучить вполне реально.

Для этого ученые из германского Национального метрологического института (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) обратились к охлажденным лазером ионам в так называемых «ионных кулоновских кристаллах». Исследователи впервые показали, как разрыв симметрии можно создавать в контролируемых условиях, а потом наблюдать процесс возникновения топологических дефектов: отклонений в пространственной структуре, возникающих, когда частицы не способны связываться друг с другом. Эти дефекты появляются во время фазового перехода и видны как несовпадающие области (см. первую иллюстрацию). Ученые выбрали именно ионные кулоновские кристаллы, так как свойства их симметрии сопоставимы с таковыми в ранней Вселенной.

cosmo

Как контролировать сложную систему с множеством частиц и вызывать преднамеренные изменения во внешних условиях, которые приведут к нарушению симметрии? Эту задачу и должны были решить авторы эксперимента во главе с Таней Мельштэублер (Tanja Mehlstaubler). Они поймали ионы иттербия в так называемых «радиочастотных ионных ловушках» в сверхвысоком вакууме (давление 10?9 торр и ниже) и охладили их до нескольких милликельвинов с помощью лазерного луча. Пойманные положительно заряженные частицы отталкивают друг друга внутри ловушки и, при таких сверхнизких температурах, приобретают кристаллическую структуру (вторая иллюстрация, а-с). Точные ионные ловушки, разработанные для метрологических задач, в данном эксперименте обеспечили контроль над ультрахолодными частицами и параметрами окружающей среды.

Если параметры ловушки меняются быстрее скорости света в кристалле, то появляются топологические дефекты (вторая иллюстрация, d-e) – когда ионы в кристалле ищут новое состояние равновесия. Стабильность этих эффектов была исследована и оптимизирована посредством цифрового моделирования – что обеспечивает идеальную систему для изучения нарушающих симметрию переходов с максимальной чувствительностью. Таким образом, спонтанное изменение ориентации кулоновского кристалла происходит по тем же законам, что и изменение ранней Вселенной (после Большого взрыва).

cosmo2

Данное исследование тесно связано с так называемым механизмом Киббла-Цурека . Эта теория основывается на размышлениях Тома Киббла (Tom Kibble) об особых топологических дефектах в ранней Вселеннеой: спустя доли секунды после Большого Взрыва произошло нарушение симметрии, и Вселенной пришлось «решать», какое новое состояние принять. Всюду, где отдельные зоны Вселенной не могли сообщить о своих решениях друг другу, вероятно, образовывались космологические струны, доменные стенки и другие топологические эффекты. Но механизм Киббла-Цурека также позволяет проводить статистические измерения дефектов в фазовых переходах любого рода. Благодаря своему универсальному характеру, эта теория применима к самым разным областям физики: переходу от металлов к сверхпроводникам, от ферромагнитных к парамагнитным системам и т.д.

Своим экспериментом международный коллектив исследователей показал, что механизм Киббла-Цурека можно перевести в сравнительно простые лабораторные условия (с помощью охлажденных лазером ионных кулоновских кристаллов), а также продемонстрировал, что возникающие в процессе топологические дефекты зависят от скорости изменений. Эксперименты, которые одновременно проходили в Университете им. Иоганна Гуттенберга (Майнц, Германия) привели к аналогичным результатам.

Новая система делает возможным проведение дальнейших экспериментов по фазовым переходам в классических системах и в квантовой Вселенной, а также в области нелинейной физики (солитоны, например) в хорошо управляемых и поддающихся сравнению условиях. Так физики еще на один шаг подошли к объяснению причинно-следственных отношений в природе.

В эксперименте также участвовали ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории (CША), Ульмского университета (Германия) и Еврейского университета (Израиль).

Данные исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Артём Космарский

Читайте так же:
Межгалактические перелёты радикально осложняют парадокс Ферм
Межгалактические перелёты радикально осложняют парадокс Ферм
Стюарт Армстронг (Stuart Armstrong) и Андерс Сэндберг (Anders Sandbe
Почему Земля вращается?
Почему Земля вращается?
Все мы знаем, что Земля вращается. Однако почему? Почему все в Солне
Британские ученые создали прототип "умной" самосги
Британские ученые создали прототип "умной" самосги
Новый класс электронной техники, так называемые "морфы" - устройства
В ЦЕРНе ждут открытие, которое затмит бозон Хиггса
В ЦЕРНе ждут открытие, которое затмит бозон Хиггса
Три из четырех больших коллабораций Большого адронного коллайдера вы

Добавить комментарий

Войти через социальные сети

           


Защитный код
Обновить

Случайные фразы

Последнее на форуме

  • Нет сообщений для показа

Наш сайт отлично себя чувствует на этом хостинге*

Комментарии: последние

  • w co zainwestować
    Very good article. I absolutely appreciate this site. Thanks!

    Подробнее...

     
  • elamed.info
    I and my pals have already been reviewing the excellent recommendations found on the website and immediately came up with ...

    Подробнее...

     
  • Ссылка на источник
    Hello would you mind letting me know which webhost you're using? I've loaded your blog in 3 completely different internet ...

    Подробнее...

     
  • Sorel-Eco.ru
    Hello There. I found your weblog using msn. That is an extremely neatly written article. I will be sure to bookmark it ...

    Подробнее...

     
  • по этой ссылке
    I think the admin of this web site is genuinely working hard in support of his web page, because here every material ...

    Подробнее...

     
  • по этой ссылке
    It's nearly impossible to find educated people on this subject, however, you seem like you know what you're talking about!

    Подробнее...

подпишись на RSS

Топ лучших игр Руннета

  Каталог Ресурсов Интернет Рейтинг@Mail.ru