De volta ao primeiro momento do universo, tudo estava quente, denso e em perfeito equilíbrio. Não havia partículas como as entenderíamos, muito menos estrelas ou mesmo o vácuo que permeia o espaço hoje. Todo o espaço estava cheio de coisas homogêneas, sem forma e compactadas.
Então, algo escorregou. Toda essa estabilidade monótona se tornou instável. A matéria venceu seu primo estranho, a antimatéria, e passou a dominar todo o espaço. Nuvens dessa matéria se formaram e desmoronaram em estrelas, que se organizaram em galáxias. Tudo o que sabemos começou a existir.
Então, o que aconteceu para tirar o universo de seu estado sem forma?
Os cientistas ainda não têm certeza. Mas os pesquisadores descobriram uma nova maneira de modelar em laboratório o tipo de defeito que poderia ter causado o grande desequilíbrio do universo primitivo. Em um novo artigo, publicado hoje (16 de janeiro) na revista Nature Communications, os cientistas mostraram que podem usar o hélio super-resfriado para modelar os primeiros momentos da existência - especificamente, para recriar um conjunto possível de condições que podem ter existido apenas. depois do Big Bang.
Isso importa porque o universo está cheio de atos de equilíbrio que os físicos chamam de "simetrias".
Alguns exemplos importantes: As equações da física funcionam da mesma maneira para frente e para trás no tempo. Existem apenas partículas carregadas positivamente no universo para cancelar todas as partículas carregadas negativamente.
Mas, às vezes, as simetrias se quebram. Uma esfera perfeita equilibrada na ponta de uma agulha cai de uma maneira ou de outra. Dois lados idênticos de um ímã se separam nos pólos norte e sul. A matéria vence a antimatéria no início do universo. Partículas fundamentais específicas emergem da falta de forma do universo primitivo e interagem umas com as outras através de forças discretas.
"Se considerarmos a existência do Big Bang como certa, o universo, sem dúvida, passou por algumas transições de quebra de simetria", disse ao Live Science Jere Mäkinen, principal autor do estudo e estudante de doutorado na Universidade Aalto, na Finlândia.
Precisa de prova? Está ao nosso redor. Todas as mesas, cadeiras, galáxias e ornitorrinco de bico de pato são evidências de que alguma coisa tirou o universo primitivo de seu estado inicial e plano e da complexidade atual. Estamos aqui em vez de ser potencialidades em um vazio uniforme. Então, algo quebrou essa simetria.
Os físicos chamam algumas das flutuações aleatórias que quebram a simetria de "defeitos topológicos".
Em essência, defeitos topológicos são pontos em que algo fica instável em um campo de outra maneira uniforme. De repente, surge uma perturbação. Isso pode acontecer devido a interferências externas, como em um experimento de laboratório. Ou pode acontecer aleatoriamente e misteriosamente, como os cientistas suspeitam que aconteceu no universo primitivo. Depois que um defeito topolítico se forma, ele pode ficar no meio de um campo uniforme, como uma pedra que cria ondulações em um fluxo suave.
Alguns pesquisadores acreditam que tipos particulares de defeitos topológicos no material sem forma do universo primitivo podem ter desempenhado um papel nessas primeiras transições de quebra de simetria. Esses defeitos podem ter incluído estruturas chamadas "vórtices semi-quânticos" (padrões de energia e matéria que se parecem um pouco com banheiras de hidromassagem) e "paredes delimitadas por cordas" (estruturas magnéticas feitas de paredes bidimensionais delimitadas de cada lado por duas "strings" dimensionais). Essas estruturas espontaneamente emergentes afetam o fluxo de matéria em sistemas simétricos, e alguns pesquisadores suspeitam que essas estruturas tenham desempenhado um papel importante ao agrupar o universo nas estrelas e galáxias que vemos hoje.
Os pesquisadores já haviam criado esses tipos de defeitos nos campos magnéticos de gases super-resfriados e supercondutores em seus laboratórios. Mas os defeitos surgiram individualmente. A maioria das teorias que usam defeitos topológicos para explicar a origem do universo moderno envolve defeitos "compostos", disse Mäkinen - mais de um defeito trabalhando em conjunto.
Mäkinen e seus co-autores projetaram um experimento envolvendo hélio líquido resfriado a frações acima de zero absoluto e espremido em minúsculas câmaras. Na escuridão dessas caixinhas, vórtices semi-quânticos emergiram no hélio super-resfriado.
Então, os pesquisadores mudaram as condições do hélio, fazendo-o passar por uma série de transições de fase entre dois tipos diferentes de superfluidos, ou fluidos sem viscosidade. São transições de fase semelhantes à transformação da água de um sólido em líquido ou gás, mas sob condições muito mais extremas.
Transições de fase causam quebra de simetria. Por exemplo, a água líquida está cheia de moléculas que podem se orientar em muitas direções diferentes. Mas congele a água e as moléculas ficam presas em posições particulares. Quebras semelhantes na simetria acontecem com as transições de fase superfluidas nos experimentos.
Ainda assim, depois que o hélio superfluido passou por suas transições de fase, os vórtices permaneceram - protegidos por paredes delimitadas por cordas. Juntos, os vórtices e as paredes formaram defeitos topológicos compostos e sobreviveram a transições de fase de quebra de simetria. Dessa maneira, escreveram os pesquisadores no artigo, esses objetos espelhavam defeitos que algumas teorias sugerem formar no universo primitivo.
Isso significa que Mäkinen e seus co-autores descobriram como a simetria se rompeu no universo primitivo? Absolutamente não. Seu modelo mostrou apenas que certos aspectos das "grandes teorias unificadas" de como o universo primitivo tomou sua forma podem ser replicados em laboratório - especificamente, as partes dessas teorias que envolvem defeitos topológicos. Nenhuma dessas teorias é amplamente aceita pelos físicos, e isso pode ser um grande beco sem saída teórico.
Mas o trabalho de Mäkinen abre as portas para mais experimentos para investigar como esses tipos de defeitos podem ter funcionado para moldar os momentos após o Big Bang. E esses estudos definitivamente ensinam aos cientistas algo novo sobre o reino quântico, disse ele. A questão em aberto permanece: os físicos vincularão conclusivamente esses detalhes sobre o minúsculo mundo quântico ao comportamento de todo o universo?
