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:
Астрономы насчитали 65 гамма-источников неизвестной природы
Астрономы насчитали 65 гамма-источников неизвестной природы
Астрофизики провели перепись объектов, дающих гамма-излучение с энер
Свет, которого нет
Свет, которого нет
Документальный фильм о природе света и не только...
Причина, по которой Архимед не смог бы поднять Землю
Причина, по которой Архимед не смог бы поднять Землю
«Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю», заявил великий механик д
NASA делает первые шаги по созданию "машины времени&quo
NASA делает первые шаги по созданию "машины времени&quo
NASA делает первые шаги навстречу реализации фантастического предпол

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

  • Молот
    ИЗЫДИ БЕС ИЗ РОССИИ!!! Молитва изгоняющего дьявола. О Боже, я взываю к святому имени Твоему, молю о милосердии Твоем!

    Подробнее...

     
  • Cyprian Danielewski
    If you want to take a great deal from this piece of writing then you have to apply these methods to your won blog.

    Подробнее...

     
  • Wawrzyniec Figura
    Fantastic goods from you, man. I've understand your stuff previous to and you're just extremely fantastic. I actually ...

    Подробнее...

     
  • Herman Juszczak
    I'm extremely pleased to discover this site. I want to to thank you for your time for this wonderful read!! I definitely ...

    Подробнее...

     
  • Zoe Byczkowski
    I'd like to find out more? I'd want to find out more details.

    Подробнее...

     
  • Radoslaw Szelag
    What a material of un-ambiguity and preserveness of precious know-how regarding unexpected feelings.

    Подробнее...

подпишись на RSS

Топ лучших игр Руннета

  Каталог Ресурсов Интернет Рейтинг@Mail.ru