奇异超流体或能解释现代宇宙的存在

在宇宙的最初时刻，一切都是炽热而密集的，处于完美的平衡状态。那时没有我们所理解的任何粒子，更不用说任何星星或者今天充斥空间的真空了。整个空间都充满了均匀、无形、压缩的物质。这种物质被称为原初等离子体，它是由夸克和胶子组成的一种极端状态，它们的温度和密度都非常高，以至于不能形成稳定的原子核或原子。

然后，出了点差错。所有那些单调的稳定变得不稳定了。物质战胜了它的奇怪表亲——反物质，并开始统治整个空间。物质的云团形成并塌缩成星星，星星又组成了星系。我们所知道的一切都开始存在。

那么，是什么导致了宇宙从无形的状态转变呢？科学家们仍然不确定。但是研究人员找到了一种新的方法，在实验室中模拟可能导致宇宙早期失衡的那种缺陷。在一篇新论文中，科学家们展示了他们可以使用超冷氦来模拟宇宙存在的最初时刻——具体来说，是重现大爆炸后可能存在的一种可能的条件。这很重要，因为宇宙充满了物理学家称之为“对称性”的平衡行为。

一些主要的例子：物理方程在时间的正向和反向上都是一样的。这就是时间反演对称性，它意味着物理过程不依赖于时间的方向。宇宙中正电荷粒子的数量刚好足以抵消所有的负电荷粒子。这就是电荷守恒，它意味着电荷总量不会改变。

但有时，对称性会被打破。一个完美的球体平衡在针尖上，会向一边或另一边倒下。这就是自发对称性破缺，它意味着系统的基态不再具有原来的对称性。一个磁体的两个相同的一面分离成北极和南极。这就是磁单极子，它是一种假想的粒子，它只具有一个磁极，而不是一对。物质在宇宙早期战胜了反物质。这就是物质反物质不对称，它是一种未解之谜，它表明宇宙中存在一种偏好物质的机制。特定的基本粒子从宇宙早期的无形中出现，并通过离散的力相互作用。这就是粒子物理学的标准模型，它是一种描述基本粒子和三种基本相互作用（强、弱、电磁）的理论。

“如果我们把大爆炸的存在视为既定事实，那么宇宙无疑经历了一些对称性破缺的转变，”这项研究的主要作者、芬兰阿尔托大学的博士生杰雷·马基宁说。需要证据吗？它们就在我们周围。每一张桌子、每一把椅子、每一个星系和每一个鸭嘴兽都证明了有什么东西让宇宙从它早期的平坦状态转变成了现在的复杂性。我们在这里，而不是在一个均匀的虚空中成为可能性。所以，有什么东西打破了那种对称性。

物理学家称一些打破对称性的随机波动为“拓扑缺陷”。

你肯定很好奇，什么是拓扑缺陷，其实，它是一种在物理系统中打破对称性的现象，它们通常是由于系统的不同部分在经历相变时选择了不同的真空态而形成的。拓扑缺陷有不同的类型，例如点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷，它们的形成和性质可以用数学的拓扑理论来描述。拓扑缺陷在宇宙学、凝聚态物理、粒子物理等领域都有重要的应用和研究价值。

从本质上讲，拓扑缺陷是在一个均匀的场中出现的一些异常的地方。一种干扰突然出现。这可能是由于外界的干扰，比如在实验中。或者它可能是随机和神秘地发生的，就像科学家怀疑在宇宙早期发生的那样。一旦一个拓扑缺陷形成，它就可以停留在一个均匀的场中，就像一块巨石在平滑的水流中产生涟漪一样。

一些研究人员认为，宇宙早期无形物质中的某些特殊类型的拓扑缺陷可能在宇宙最初的对称性破缺转变中起了作用。这些缺陷可能包括一种叫做“半量子涡旋”的结构（看起来有点像漩涡的能量和物质的模式）和一种叫做“由弦界定的壁”的结构（由两个一维的“弦”在两边界定的二维壁组成的磁性结构）。这些自发出现的结构影响了在其他方面对称的系统中的物质流动，一些研究人员怀疑这些结构在将宇宙聚集成我们今天看到的星星和星系中起了作用。拓扑缺陷的存在可以解释一些宇宙学的观测现象，比如宇宙微波背景辐射的不均匀性和宇宙磁场的起源。

研究人员之前已经在实验室中的超冷气体和超导体的磁场中制造出了这些类型的缺陷。但是这些缺陷是单独出现的。马基宁说，大多数用拓扑缺陷来解释现代宇宙起源的理论涉及到“复合”缺陷——即多个缺陷协同作用。

多个缺陷协同作用通常是指在一个物理系统中，不同类型或不同位置的缺陷之间相互影响，从而增强或减弱系统的性能或功能。例如，在光催化剂中，不同的缺陷位点可以影响光吸收、载流子分离和表面反应等过程，从而提高或降低光催化活性和选择性。

基于这个原理，马基宁和他的合作者设计了一个实验，涉及到将液氦冷却到绝对零度以上的几分之一度，并挤压到微小的腔室中。在那些小盒子的黑暗中，半量子涡旋在超冷的氦中出现。

然后，研究人员改变了氦的条件，使其经历了两种不同类型的超流体（或无粘性的流体）之间的一系列相变。这些相变类似于水从固体变成液体或气体，但在更极端的条件下。

相变会导致对称性破缺。例如，液态水充满了可以朝着不同方向取向的分子。但是冻结水，分子就会被锁定在特定的位置。类似的对称性破缺也发生在实验中的超流体相变中。

然而，在超流体氦经过相变之后，涡旋仍然存在——被由弦界定的壁保护着。涡旋和壁一起形成了复合拓扑缺陷，并在对称性破缺的相变中存活下来。研究人员在论文中写道，这些物体反映了一些理论所暗示的在宇宙早期形成的缺陷。

这是否意味着马基宁和他的合作者已经弄清楚了宇宙早期的对称性是如何破缺的？绝对不是。他们的模型只显示了“大统一理论”中的某些方面，即关于宇宙早期如何形成的理论，可以在实验室中复制——具体来说，就是那些涉及拓扑缺陷的部分。这些理论没有一种被物理学家广泛接受，这可能都是一个巨大的理论死胡同。

但是马基宁的工作为更多的实验打开了大门，以探索这些类型的缺陷可能如何塑造了大爆炸后的时刻。他说，这些研究肯定教会了科学家们关于量子领域的一些新东西。一个悬而未决的问题是：物理学家是否能够最终将这些关于微小的量子世界的细节与整个宇宙的行为联系起来？

为了回答这个问题，我们需要更多的观测数据和理论计算，以及更多的创新实验，来验证或否定不同的宇宙学模型。目前，我们还不能确定宇宙的起源和演化是否完全可以用物理学的规律来解释，或者是否存在一些我们无法理解的因素。但是，我们可以肯定的是，宇宙是一个充满奥秘和美丽的地方，它值得我们用最好的科学方法来探索和欣赏。