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:
Нейтроны взаимодействуют с движущимися наночастицами
Нейтроны взаимодействуют с движущимися наночастицами
Это не открытие, а настоящая бомба: оно не только поможет проследить
Как мозг воспринимает пространство и время?
Как мозг воспринимает пространство и время?
«…Отныне пространство само по себе, и время само по себе, обречены и
Межгалактические перелёты радикально осложняют парадокс Ферм
Межгалактические перелёты радикально осложняют парадокс Ферм
Стюарт Армстронг (Stuart Armstrong) и Андерс Сэндберг (Anders Sandbe
Ученые Кольского научного центра обнаружили на Марсе апатит
Ученые Кольского научного центра обнаружили на Марсе апатит
Необычное открытие сделали специалисты Геологического института Коль

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

  • Хранитель
    ОТКРОВЕНИЕ Зверя Апокалипсиса низвергнут - 19 марта 2018 года! Судный день - 1 декабря 2021 года! Хранитель Ключа ...

    Подробнее...

     
  • Хранитель
    ОТКРОВЕНИЕ Зверя Апокалипсиса низвергнут - 19 марта 2018 года! Судный день - 1 декабря 2021 года! Хранитель Ключа ...

    Подробнее...

     
  • Эзотерика
    Ну да, мы живём в матрице.

    Подробнее...

     
  • kill
    Пишите мне в дискуссии как мне попасть вообще в глубокий интернет

    Подробнее...

     
  • Аноним |имя не указано|
    Ну хоть популярным стану)

    Подробнее...

     
  • Аноним
    если хотите попасть глубокий интернет то ползуйтес компютером каторый нет не одного даные про вас фотки емаил и если ...

    Подробнее...

подпишись на RSS

Топ лучших игр Руннета

  Каталог Ресурсов Интернет Рейтинг@Mail.ru