Космический суп закипает: физики раскрыли тайну странного поведения материи в начале времен

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой крайне горячую и плотную среду. В этом состоянии господствовало плазменное море, состоящее из мельчайших частиц — кварков и глюонов, которые позже легли в основу всего сущего: от водорода и гелия до атомов, составляющих человеческое тело. Специалисты часто характеризуют это состояние как "первородный бульон", и новые данные подтверждают точность такой аналогии.

Фото: NewsInfo.Ru by Наталья Орлова, https://creativecommons.org/public-domain/pdm/

Чёрная дыра и нейтрино

Понять природу ранней Вселенной непросто, ведь мы не можем напрямую воспроизвести столь экстремальные условия или заглянуть в прошлое без теоретических моделей. Ученые опираются на расчеты, анализируя параметры расширения космоса и химический состав материи, однако компьютерные симуляции имеют свои пределы. Воспроизвести плотность и жар самого начала времен в земных лабораториях невозможно, поэтому приходится искать обходные пути.

Эксперименты с ионами

Физика элементарных частиц предлагает способ заглянуть вглубь времен. В ЦЕРН специалисты проводят столкновения тяжелых ионов на скоростях, близких к световым. Эти процессы кратковременно воссоздают кварк-глюонную плазму (КГП). Поскольку такое состояние длится ничтожно малую долю секунды, наблюдать за ним напрямую не удается. Вместо этого фиксируется каскад вторичных частиц, который служит своего рода "эхо-сигналом" произошедшего события.

Подобный подход можно сравнить с изучением волн на воде, возникших после падения камня: самих брызг уже не видно, но по характеру кругов на поверхности можно восстановить картину падения. Аналогично, результаты исследований позволяют физикам делать выводы о свойствах первичной субстанции.

"Изучение столкновений при сверхвысоких энергиях — единственный способ понять состояние материи, которая предшествовала появлению первых протонов. Мы фактически моделируем фундаментальные законы природы в их экстремальном проявлении", — отметил в беседе с Pravda. Ru учёный-физик Дмитрий Лапшин.

Взаимодействие Z-бозонов

В недавнем цикле наблюдений исследовательская группа сосредоточилась на Z-бозонах — частицах, отвечающих за слабое ядерное взаимодействие. Они ведут себя как носители энергии, подобные фотонам в контексте электромагнетизма. Сравнивая поведение этих частиц с различными теоретическими моделями кварк-глюонной плазмы, авторы работы пытались понять, как именно "бульон" реагирует на внешние воздействия.

Данный подход позволяет отсеять менее вероятные сценарии развития ранней Вселенной, где физические свойства материи радикально отличались от привычных нам. Оказалось, что математические прогнозы, описывающие плазму как вязкую жидкость, лучше всего соответствуют наблюдаемым данным.

Жидкая природа материи

Ключевым открытием стали следы, напоминающие волновые структуры в плазменном поле. Если провести рукой по поверхности воды, возникают волны — реакция, свойственная жидкостям. Аналогичное действие с песком не вызовет образования волн, так как зернистая среда ведет себя иначе. Обнаружение таких следов в КГП доказывает, что частицы двигались в плазме, "рассекая" её, словно лодка или камень в воде.

"Статус плазмы как жидкости меняет многое в наших расчетах. Это не просто хаотичный набор частиц, а динамическая среда со своими законами вязкости, которые определили последующую эволюцию Вселенной", — пояснил в беседе с Pravda. Ru биофизик Алексей Корнилов.

Материя, находившаяся в столь необычном состоянии, обладала свойствами, которые мы привыкли приписывать текучим средам. Определение плотности и коэффициента вязкости этой первичной субстанции — следующая амбициозная цель физиков, работающих на коллайдере.

Влияние на эволюцию космоса

Понимание того, что ранняя материя представляла собой густой "суп", критически важно для космологии. Динамика ударных волн и распространение колебаний в жидкостях кардинально отличаются от аналогичных процессов в газах или твердых телах. Это могло напрямую повлиять на формирование первых атомов, а также на распределение материи, из которой позже появились галактики и массивные чёрные дыры.

"Волна, прошедшая через плазму в первую микросекунду жизни космоса, могла создать неоднородности плотности. Именно эти зоны позже стали центрами притяжения для звездных скоплений", — подчеркнул в беседе с Pravda. Ru астрофизик Алексей Руднев.

Ответы на популярные вопросы о ранней Вселенной

Что такое кварк-глюонная плазма?

Это экстремальное состояние материи, в котором кварки и глюоны — фундаментальные частицы — не связаны в протоны и нейтроны, а существуют в виде свободного, горячего плазменного "бульона".

Почему плазму называют "жидкой"?

Исследователи обнаружили характерные волновые следы, оставляемые частицами при движении сквозь этот "бульон", что типично для текучих сред с определенной вязкостью.

Как ученые изучают то, что нельзя увидеть?

В ЦЕРН моделируют условия ранней Вселенной путем столкновения тяжелых ионов. Затем физики изучают "разлет" вторичных частиц, восстанавливая по ним свойства первичного процесса.

Как это открытие меняет понимание истории мира?

Оно дает ключ к объяснению того, как первичная материя распределялась в пространстве сразу после взрыва, влияя на структуру будущих галактик и черных дыр.

Читайте также

• Космический спор на грани провала: почему данные о размерах Вселенной пошли друг на друга
• Космический генератор в руинах: остаток взорвавшейся звезды продолжает питать яркий свет
• Код красной тревоги: семь из девяти критических лимитов Земли уже окончательно нарушены
• Память планеты стёрта в порошок: тайна гигантской дыры в истории Земли длиной в миллиард лет