Για πολλές γενιές, οι Φυσικοί ήταν σίγουροι ότι οι νόμοι της φυσικής ήταν απόλυτα συμμετρικοί. Μέχρι που δεν ήταν.
Η συμμετρία είναι μια ελκυστική ιδέα που καταρρέει στο ακατάστατο σύμπαν μας. Πράγματι, από τη δεκαετία του 1960, κάποιο είδος σπασμένης συμμετρίας απαιτείται για να εξηγηθεί γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη από την αντιύλη στο σύμπαν – γιατί, δηλαδή, υπάρχουν όλα αυτά.
Αλλά το να εντοπίσουμε την πηγή πίσω από αυτή την υπαρξιακή παραβίαση της συμμετρίας, ακόμη και να βρούμε αποδείξεις γι’ αυτήν, ήταν αδύνατο.
Ωστόσο, σε μια νέα εργασία που δημοσιεύθηκε στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, αστρονόμοι του Πανεπιστημίου της Φλόριντα βρήκαν την πρώτη απόδειξη αυτής της αναγκαίας παραβίασης της συμμετρίας τη στιγμή της δημιουργίας. Οι επιστήμονες του UF μελέτησαν ένα τρισεκατομμύρια τρισδιάστατα γαλαξιακά τετράγωνα στο σύμπαν και ανακάλυψαν ότι το σύμπαν κάποια στιγμή προτίμησε ένα σύνολο σχημάτων έναντι των κατοπτρικών τους εικόνων.
Αυτή η ιδέα, γνωστή ως παραβίαση της συμμετρίας της ισοτιμίας, υποδεικνύει μια απειροελάχιστη περίοδο στην ιστορία του σύμπαντός μας, όταν οι νόμοι της φυσικής ήταν διαφορετικοί από ό,τι είναι σήμερα, με τεράστιες συνέπειες για τον τρόπο με τον οποίο εξελίχθηκε το σύμπαν.
Η διαπίστωση αυτή, που τεκμηριώνεται με υψηλό επίπεδο στατιστικής εμπιστοσύνης, έχει δύο βασικές συνέπειες. Πρώτον, αυτή η παραβίαση της ισοτιμίας θα μπορούσε να έχει αποτυπωθεί στους μελλοντικούς γαλαξίες μόνο κατά τη διάρκεια μιας περιόδου ακραίου πληθωρισμού στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, επιβεβαιώνοντας ένα κεντρικό στοιχείο της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης για την προέλευση του σύμπαντος.
Η παραβίαση της ισοτιμίας θα βοηθούσε επίσης να απαντηθεί ίσως το πιο κρίσιμο ερώτημα στην κοσμολογία: Γιατί υπάρχει κάτι αντί για το τίποτα; Αυτό συμβαίνει επειδή η παραβίαση της ισοτιμίας απαιτείται για να εξηγηθεί γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη από την αντιύλη, μια απαραίτητη προϋπόθεση για να σχηματιστούν οι γαλαξίες, τα αστέρια, οι πλανήτες και η ζωή με τον τρόπο που σχηματίστηκαν.
“Πάντα με ενδιέφεραν τα μεγάλα ερωτήματα για το σύμπαν. Ποια είναι η αρχή του σύμπαντος; Ποιοι είναι οι κανόνες βάσει των οποίων εξελίσσεται; Γιατί υπάρχει κάτι και όχι το τίποτα;” δήλωσε ο Zachary Slepian, καθηγητής αστρονομίας του UF, ο οποίος επέβλεψε τη νέα μελέτη. “Αυτή η εργασία απαντά σε αυτά τα μεγάλα ερωτήματα”.
Ο Slepian συνεργάστηκε με τον μεταδιδακτορικό ερευνητή του UF και πρώτο συγγραφέα της μελέτης, Jiamin Hou, και τον φυσικό του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley, Robert Cahn, για τη διεξαγωγή της ανάλυσης. Η τριάδα δημοσίευσε τα ευρήματά της στις 22 Μαΐου στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Οι ίδιοι ερευνητές πρότειναν για πρώτη φορά την ιδέα της αναζήτησης για παραβίαση της ισοτιμίας χρησιμοποιώντας τετράδες γαλαξιών σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε επίσης πρόσφατα στο Physical Review Letters.
Η συμμετρία της ισοτιμίας είναι η ιδέα ότι οι φυσικοί νόμοι δεν πρέπει να προτιμούν ένα σχήμα έναντι του καθρέφτη του. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συνήθως τη γλώσσα της “χειρομορφίας” για να περιγράψουν αυτό το χαρακτηριστικό, επειδή το αριστερό και το δεξί μας χέρι είναι κατοπτρικά είδωλα που όλοι γνωρίζουμε. Δεν υπάρχει τρόπος να περιστρέψετε το αριστερό σας χέρι στις τρεις διαστάσεις για να το κάνετε να μοιάζει με το δεξί σας χέρι, πράγμα που σημαίνει ότι είναι πάντα διακριτά μεταξύ τους.
Η παραβίαση της ισοτιμίας θα σήμαινε ότι το σύμπαν έχει μια προτίμηση είτε για αριστερόχειρα είτε για δεξιόχειρα σχήματα. Για να ανακαλύψουν την αμφίπλευρη φύση του σύμπαντος, το εργαστήριο του Slepian φαντάστηκε όλους τους πιθανούς συνδυασμούς τεσσάρων γαλαξιών που συνδέονται με νοητές γραμμές στο διάστημα. Αυτό δημιουργεί ένα τρισδιάστατο αντικείμενο που ονομάζεται τετράεδρο, σαν μια μονόπλευρη πυραμίδα – το απλούστερο σχήμα που έχει κατοπτρικό είδωλο. Όρισαν δεξιόστροφα και αριστερόστροφα γαλαξιακά τετράεδρα με βάση τον τρόπο με τον οποίο οι γαλαξίες συνδέονται με τους πιο κοντινούς και τους πιο μακρινούς εταίρους τους σε αυτά τα φανταστικά σχήματα.
Η μέθοδός τους απαιτούσε την ανάλυση ενός τρισεκατομμυρίου φανταστικών τετραέδρων για κάθε έναν από ένα εκατομμύριο γαλαξίες, ένας αριθμός συνδυασμών που προκαλεί αμηχανία. “Τελικά συνειδητοποιήσαμε ότι χρειαζόμασταν νέα μαθηματικά”, δήλωσε ο Slepian.
Έτσι, η ομάδα του Slepian ανέπτυξε εξελιγμένους μαθηματικούς τύπους που επέτρεψαν την εκτέλεση των τεράστιων υπολογισμών σε εύλογο χρονικό διάστημα. Εξακολουθούσε να απαιτείται σημαντική υπολογιστική ισχύς. “Η μοναδική τεχνολογία του UF που διαθέτουμε εδώ με τον υπερυπολογιστή HiPerGator μας επέτρεψε να εκτελέσουμε την ανάλυση χιλιάδες φορές με διαφορετικές ρυθμίσεις για να ελέγξουμε το αποτέλεσμά μας”, είπε.
Οι τεχνικές πτυχές της ανάλυσης καθιστούν δύσκολο να πούμε αν το σύμπαν προτιμά “δεξιόστροφα” ή “αριστερόστροφα” σχήματα, αλλά οι επιστήμονες είδαν σαφείς ενδείξεις ότι το σύμπαν έχει μια προτίμηση. Κατέστησαν το εύρημά τους με έναν βαθμό βεβαιότητας γνωστό ως επτά σίγμα, ένα μέτρο του πόσο απίθανο είναι να επιτευχθεί το αποτέλεσμα με βάση την τύχη και μόνο. Στη φυσική, ένα αποτέλεσμα με τιμή σίγμα πέντε ή μεγαλύτερη θεωρείται συνήθως αξιόπιστο, επειδή οι πιθανότητες ενός τυχαίου αποτελέσματος σε αυτό το επίπεδο είναι εξαιρετικά μικρές. Μια παρόμοια ανάλυση, που διεξήχθη από ένα πρώην μέλος του εργαστηρίου Slepian, εντόπισε την ίδια καθολική προτίμηση στο σχήμα, αν και με ελαφρώς μικρότερη στατιστική αξιοπιστία λόγω των διαφορών στο σχεδιασμό της μελέτης.