Fysikens lagar brukade vara olika, vilket kan förklara varför du existerar

Fysikens lagar brukade vara olika, vilket kan förklara varför du existerar

Tidsstämpel: 6 juni 2023 12:59
Källnod: 2704958
06 juni 2023 (Nanowerk Nyheter) Fysikens lagar måste ha varit annorlunda i början av universum än de är nu, enligt en sinnesböjande studie utförd av astronomer vid University of Florida, som ger ledtrådar till varför stjärnor, planeter och livet självt lyckades bildas i universum. Efter att ha analyserat fördelningen av en jättestor miljon, biljoner grupper av galaxer, upptäckte forskarna att fysiska lagar en gång föredrog en uppsättning former framför sina spegelbilder. Det är som om universum självt brukade gynna högerhänta saker istället för vänsterhänta saker, eller vice versa. Fynden, som delvis möjliggjorts av UF:s superdator HiPerGator, förklarar kanske den största frågan inom kosmologi: Varför existerar något? Det beror på att någon form av handenhet i de tidigaste ögonblicken av skapelsen är nödvändig för att förklara varför universum är gjort av materia, det som gör allt vi ser. Resultaten hjälper också till att bekräfta en central grundsats i Big Bang-teorin om universums ursprung. ”Jag har alltid varit intresserad av stora frågor om universum. Vad är början på universum? Vilka är reglerna under vilka det utvecklas? Varför finns det något snarare än ingenting?” sade Zachary Slepian, en UF-astronomiprofessor som övervakade den nya studien. "Det här arbetet tar upp de stora frågorna." Slepian arbetade med UF-postdoktor och studiens första författare, Jiamin Hou, och Lawrence Berkeley National Laboratory-fysiker Robert Cahn för att genomföra analysen. Trion publicerade sina resultat i tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society ("Mätning av paritets-udda lägen i den storskaliga 4-punktskorrelationsfunktionen för Sloan Digital Sky Survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey tolfte datautgivningen CMASS och LOWZ galaxer").

Spegelbild

Deras studie var utformad för att leta efter kränkning av ett koncept som kallas "paritetssymmetri" i fysik, vilket hänvisar till spegelbilder som liknar vänster- eller högerhänthet. Många saker inom fysiken kan sägas ha en handenhet, som snurran av en elektron. Fysikens lagar idag bryr sig vanligtvis inte om det här snurret är vänster- eller högerhänt. Den lika, eller symmetriska, tillämpningen av fysikens lagar oavsett handenhet kallas paritetssymmetri. Det enda problemet är att paritetssymmetri måste ha brutits någon gång. Någon forntida paritetsöverträdelse – någon form av preferens för högerhänta eller vänsterhänta saker i det avlägsna förflutna – krävs för att förklara hur universum skapade mer materia än antimateria. Om paritetssymmetri hölls under Big Bang, skulle lika delar av materia och antimateria ha kombinerats, förintat varandra och lämnat universum helt tomt. Så i en nyligen publicerad artikel publicerad i Physical Review Letters, föreslog Slepian, Hou och Cahn ett uppfinningsrikt sätt att söka efter bevis för att paritet verkligen kränktes under Big Bang. Deras idé var att föreställa sig alla möjliga kombinationer av fyra galaxer på natthimlen. Koppla samman dessa fyra galaxer med imaginära linjer, och du har en sned pyramid, en tetraeder. Detta är den enklaste möjliga 3D-formen – och därmed den enklaste formen som har en spegelbild, nyckeltestet för paritetssymmetri. Deras metod krävde att analysera en biljon möjliga tetraedrar för var och en av en miljon galaxer, ett otroligt antal kombinationer. "Så småningom insåg vi att vi behövde ny matematik," sa Slepian. Så Slepians team utvecklade sofistikerade matematiska formler som gjorde att de enorma beräkningarna kunde utföras inom en rimlig period. Det krävde fortfarande en ansenlig mängd beräkningskraft. "UF:s unika teknologi vi har här med HiPerGator superdatorn och dess avancerade GPU:er gjorde att vi kunde köra analysen tusentals gånger med olika inställningar för att testa vårt resultat," sa han. Slepians grupp upptäckte att universum verkligen inpräntade en tidig preferens för vänster- eller högerhänta saker på materialet som så småningom blev dagens galaxer. (Den komplexa matematiken gör det dock svårt att säga om det var högerhänt eller vänsterhänt.) De fastställde sitt fynd med en viss grad av säkerhet som kallas seven sigma, ett mått på hur osannolikt det är att uppnå resultatet baserat på enbart slumpen. Inom fysiken anses ett resultat med en signifikans på fem sigma eller högre vanligtvis vara tillförlitligt eftersom oddsen för ett slumpmässigt resultat på denna nivå är försvinnande små. En liknande analys, utförd av en före detta Slepian labbmedlem med den metod som föreslagits av Slepian, Cahn och Hou, identifierade samma universella handedness preferens, om än med något mindre statistiskt tillförlitlighet på grund av skillnader i studiedesignen. Det är fortfarande möjligt att osäkerheten i de underliggande mätningarna kan förklara asymmetrin. Tack och lov kan mycket större prover av galaxer från nästa generations teleskop ge tillräckligt med data för att radera dessa osäkerheter på bara några år. Slepians grupp vid UF kommer att utföra sin analys av denna nya, mer robusta data som en del av Dark Energy Spectroscopic Instrument-teleskopteamet. Detta är inte första gången paritetsöverträdelser har upptäckts, men det är det första beviset på paritetsöverträdelse som kan påverka den tredimensionella klustringen av galaxer i universum. En av grundkrafterna, den svaga kraften, bryter också mot pariteten. Men dess räckvidd är extremt begränsad och den kan inte påverka galaxernas omfattning eller förklara mängden materia i universum. Det universella inflytandet skulle kräva att en paritetskränkning inträffade precis i ögonblicket av Big Bang, en period som kallas inflation. "Eftersom paritetsöverträdelser endast kan präglas av universum under inflation, om det vi hittade är sant, ger det rökvapenbevis för inflation," sa Slepian. Resultaten från Slepians labb kan ännu inte förklara hur fysikens lagar förändrades, vilket kommer att kräva nya teorier som går utöver standardmodellen, en teori som förklarar vårt nuvarande universum.

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk